基于超级电容器结构的石墨烯电光调制器的制备及其调制特性研究

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光调制器是集成光学中的关键器件之一,也是用以实现高速光通信的重要器件。它是通过改变电场或电压来改变光信号的参量,实现对信号光的调控,其性能直接关系着光信号的传输质量。基于半导体、铌酸锂或聚合物的光调制器已经得到普遍应用,然而,他们仍然存在高功耗,制作成本高等缺陷,同时调制的响应速率和深度受到材料本身的限制。石墨烯,一种单层碳原子厚度的新型二维材料,因其场效应,在外加电场作用下,很容易导致其内部的电子和空穴重新分布,进而使石墨烯的费米能级发生改变。这种改变,在光与物质相互作用的过程中,会导致石墨烯的光吸收特性发生变化,从而改变入射光的参量,为其在光调制器领域的发展引入了新的潜力。  本文对基于超级电容器结构的石墨烯电光调制器的制备及其变角度调制性能进行研究。我们首先利用常压化学气象沉积的方法(APCVD)制备出双层,成膜完整的高质量石墨烯薄膜。然后将其转移至石英基底,将配置好的水相电解质溶液冲入上下两层石墨烯之间,构成电容器结构。利用精密原表和角分辨光谱仪,系统地研究了在外加0-2.5V电压的情况下,当入射光波长范围在500-1000nm范围内的变角度调制性能。实验测得透射式石墨烯电光调制器最大调制深度可达~3%,反射式器件的最大调制深度可达~5%。最后,我们利用对菲涅尔系数对石墨烯电光调制系统进行理论拟合和数值计算,同时还分别研究了石墨烯电导在变角度入射的情况下分别对p-偏振光,s-偏振光和自然光的响应,为石墨烯在光调制器领域的应用提供支持。  然后,为了避免水相电解质漏液,工作寿命短等问题,我们制备出一种凝胶状的固态电解质—PVA/H2SO4来替代水相电解质,同时应用PET基底替换石英,制备出一种柔性的石墨烯电光调制器。从实验结果中我们分析得出,随着外加电压的增大,调制深度也在逐渐增大,同时长波波段的调制深度要大于短波波段。这说明基于固态电解质的柔性石墨烯电光调制的工作机理有可能因为对石墨烯层带间跃迁的阻碍而产生的。
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