基于长周期光纤光栅光谱的石墨烯复折射率测量方法与流程

本发明属于光通信领域，涉及长周期光纤光栅与石墨烯的集成。

背景技术：

石墨烯材料是一种碳基二维晶体，单层石墨烯其具有很多优异的光电性质。石墨烯对光的吸收效率可以达到2.3％，在可见光区的透过率高达97％以上，有着优越的光学性能。同时，石墨烯具有超高的载流子迁移率和电导率。石墨烯的这些优良的光电性质，使其成为制造光电器件的理想材料。

在基于石墨烯的电光调制器的设计中，石墨烯复折射率的实部和虚部分别影响电光调制器中光信号的相位与强度，石墨烯复折射率的测量对研究调制器中的调制机理尤为重要。由于石墨烯材料的厚度在纳米量级，用于测量体材料折射率的传统方法已经无法适用。目前测量石墨烯材料复折射率的方法主要是椭圆偏振法，这一方法需要昂贵的光学仪器和复杂的计算机处理软件，并且其测量得到的石墨烯复折射率是材料本身属性，未考虑石墨烯和光波导的集成，测量结果对于研究电光调制器的意义不大。因此，为了能够将石墨烯与光波导集成，同时准确测量石墨烯复折射率，提出了基于长周期光纤光栅光谱的石墨烯复折射率测量方法。

技术实现要素：

本发明提供了基于长周期光纤光栅光谱测量石墨烯复折射率的方法，旨在解决现有技术提供的测量石墨烯复折射率的方法，未考虑石墨烯和光波导的集成的问题。

本发明的目的在于提供基于长周期光纤光栅光谱测量石墨烯复折射率的方法,其特征在于：采用将石墨烯包裹到长周期光纤光栅的光栅区域表面，由于长周期光纤光栅中包层模的表面倏逝波的存在，这一表面倏逝波将与石墨烯相互作用，导致包层模有效折射率的变化，根据长周期光纤光栅的耦合模理论，石墨烯包裹长周期光纤光栅前后，透射谱中各次谐振波长与纤芯，包层与外部介质的折射率，石墨烯复折射率，长周期光纤光栅的光栅周期有关，可以看出谐振波长是石墨烯复折射率的函数。通过测量透射光谱中谐振处的中心波长偏移量，得出石墨烯的复折射率。

进一步，该方法的具体实现步骤如下。

步骤一，测量石墨烯包裹前的长周期光纤光栅的透射谱。

步骤二，将石墨烯材料包裹到长周期光纤光栅的包层表面。

步骤三，测量石墨烯包裹长周期光纤光栅后的透射谱。

步骤四，根据步骤一和步骤三的记录的透射谱数据，计算透射谱中各级次谐振波长的偏移量。

步骤五，根据长周期光纤光栅的固定参数，采用三层复折射率包层介质模型建立石墨烯包裹长周期光纤光栅混合波导的本征方程。

步骤六，改变外包层折射率多次求解纤芯模有效折射率以及包裹石墨烯前后的各次包层模有效折射率,建立石墨烯复折射率和谐振波长偏移量的对应关系表格。

步骤七，查表计算石墨烯复折射率。

进一步，在步骤二中，采用湿法转移法将石墨烯转移到长周期光纤光栅表面。

进一步，在步骤六中，可以建立石墨烯复折射率和各个谐振波长偏移量的多个表格，测量不同谐振波长处的石墨烯复折射率。

本发明通过采用长周期光纤光栅结构与石墨烯结合的方式，使得石墨烯与光波导一阶各次包层模的表面倏逝波相互作用，长周期光纤光栅的谐振条件将这一作用反映到透射谱中。这种方法的测量系统较为简单，测量过程中考虑了波导对石墨烯的影响。且由于光纤纤芯中写入了长周期性光栅，因此不需要对光纤的包层进行腐蚀，也可以将包层模中的倏逝波引导到石墨烯表面，保证了光纤的结构强度。这种方法也可以推广到其他薄膜材料折射率的测量和光纤传感器设计。

附图说明

图1为本发明实施方案提供的基于长周期光纤光栅光谱的石墨烯复折射率测量方法的测量系统实验装置。

图2为本发明实施方案提供的基于长周期光纤光栅光谱的石墨烯复折射率测量方法的原理示意图。

具体实施方案

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

该方法的实现步骤如下。

步骤一，采用透射式测量系统，将光谱仪的光谱分辨率调至最高，扫描范围设置1500nm-1600nm，测量长周期光纤光栅的透射谱，这一范围测出的谐振波长通常是第7次包层模耦合产生的，实验装置见附图1。

步骤二，采用湿法转移法，将石墨烯材料包裹到长周期光纤光栅的包层表面，见附图2。

步骤三，采用透射式测量系统，保持光谱仪的扫描范围和分辨率不变，测量石墨烯包裹长周期光纤光栅圆柱波导的透射谱，记录谐振峰中心波长的位置。

步骤四，根据步骤一和步骤三的记录的透射谱数据，计算透射谱中谐振波长的偏移量。

步骤五，采用三层复折射率包层介质模型建立石墨烯包裹长周期光纤光栅混合波导的本征方程。

步骤六，改变外包层折射率多次求解纤芯模有效折射率以及包裹石墨烯前后的各次包层模有效折射率。建立石墨烯复折射率和第7次包层模耦合谐振波长偏移量的对应关系表格。

步骤七，根据测出的波长偏移量，从步骤六所建表格中找出对应的石墨烯复折射率。

技术特征：

技术总结
本发明属于光通信领域，涉及长周期光纤光栅和石墨烯的集成，提供了基于长周期光纤光栅光谱的石墨烯复折射率测量方法，将石墨烯转移至长周期光纤光栅表面，通过一阶各次包层模的表面倏逝波和石墨烯的相互作用，显著改变包层模有效折射率，从而导致长周期光纤光栅透射谱中谐振波长的偏移。对比数值计算得到的石墨烯复折射率与谐振波长偏移量的关系表格，测出石墨烯复折射率。此方法的测量系统结构简单，测量过程中充分考虑了光纤对石墨烯的影响，由于光纤纤芯中写入了长周期性光栅，不需要对光纤的包层进行腐蚀，即可将包层模中的倏逝波引导到石墨烯表面，因此保证了光纤的结构强度。这种方法也可以推广到其他薄膜材料折射率的测量和光纤传感器设计。

技术研发人员：张晓霞;王鸿;陈浩;皮峣迪;余力
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2017.06.12
技术公布日：2017.10.27