石墨烯膜EFBG温度及光控特性研究

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光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种优良的光纤器件,自从产生以来,就被广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域。由于FBG中的光信号为一种极窄线宽的波长信号,因此,对于该信号的测量可以克服光源波动的干扰,同时兼具光纤器件的低损耗、易于复用和抗电磁干扰等优点。
  石墨烯作为一种由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构的晶体,具有独特的能带结构,理论和实验研究,均表明石墨烯有着良好的光学、热学和电学特性。将石墨烯与光纤结合是近年来开展的工作,利用石墨烯优良的特性,结合光纤微纳光传输结构,开发石墨烯光纤器件是目前国内外的研究热点。
  本论文以EFBG(Etched FBG)为研究对象,依据石墨烯材料特殊的光学和热学特性,通过理论和实验相结合的方法对石墨烯膜EFBG器件的温度和光控特性进行了深入的研究。论文工作主要包括:
  1、综述了石墨烯膜光纤光栅器件的研究现状并总结了石墨烯材料的成膜方法。对EFBG和石墨烯膜的性质进行分析,从理论上对FBG和EFBG的理论模型和传感机制进行研究,通过模场仿真软件研究石墨烯对EFBG传输光场的影响,为石墨烯膜EFBG光子器件的研究奠定了理论基础。
  2、石墨烯膜EFBG温度特性研究。以FBG温度特性为基础,对石墨烯膜EFBG的温度特性进行研究,实验获得了不同处理方式下的温度灵敏度,未处理过的FBG的灵敏度为10.3pm/℃,EFBG的温度灵敏度为11pm/℃,石墨烯膜EFBG的温度灵敏度为11.6pm/℃。
  3、对石墨烯膜EFBG光控特性进行研究。以石墨烯膜EFBG为研究对象,对沉积有氧化石墨烯的EFBG器件进行光控特性研究,并对不同厚度石墨烯膜的光控特性进行实验,实验结果表明:当宽带光源的功率从1mw变化到55mw时,EFBG未去掉包层的反射峰的波长保持不变,去掉包层反射峰波长出现红移,共漂移了2.6nm,灵敏度为119.3pm/mw,在石墨膜厚度增大时,光控特性更为明显,当石墨烯膜的厚度为4.8nm时,波长漂移量最大,共漂移了3.433nm,且波长与功率具有良好的线性关系。
  4、对不同波长的激光光源的光控特性进行研究。实验中分别用波长为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源进行光控实验。实验结果表明:对于波长分别为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源分别调节其功率,得到的光控灵敏度分别为57.6pm/nm、52.7pm/mw、45.8pm/mw,波长越短,光控特性越好,且波长与功率均具有良好的线性关系。
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