石墨烯作为新兴材料,因其独特的性能,在光学领域得到了极大的关注。其与低损耗微纳光纤的结合,为全光纤的超快全光调制带来了新的机遇。基于能带填充效应,采用光学泵浦的方法,可以实现响应时间为皮秒量级的全光调制。本文系统而深入地分析了石墨烯在光调制领域的优势与不足,从石墨烯与微纳光纤的复合方式以及器件工作方式等方面对石墨烯全光调制器件的性能参数进行了优化。进一步推动了石墨烯光调制器件的实用化进程,为石墨烯光电器件的优化设计提供了新的思路。本论文第一章,综述了石墨烯光调制技术的研究背景。首先介绍了目前的光调制技术,以及石墨烯和微纳光纤的基本特性和制备方法。接着从石墨烯的基本性质出发,介绍了电光、全光和热光,这三种石墨烯光调制工作方式的基本原理。最后以空间光、片上集成波导的器件结构分类,对目前石墨烯光调制器件的发展进行全面介绍。论文第二章,主要开展石墨烯全光振幅调制方面的研究工作。采用倏逝场沉积的方法,实现了液相剥离石墨烯在玻璃微纳光纤表面的可控局域化沉积,从而有效地增强了石墨烯与光场的相互作用,将石墨烯全光振幅调制开关光能量降低了一个数量级。将液相剥离石墨烯与溶解状态的聚合物混合后拉伸,制备得到了高质量的石墨烯掺杂聚合物微纳光纤。得益于波导内部的场强增强效应,实现了低阈值的非线性饱和吸收和全光振幅调制。论文第三章,主要开展石墨烯全光相位调制方面的研究工作。采用聚合物辅助的转移方法,结合微纳操作,将10微米量级的化学气相沉积石墨烯高精度地转移到了玻璃微纳光纤上,并置于马赫曾德干涉仪的一臂,实现了基于石墨烯的超快全光相位调制。与同等条件下的振幅调制对比,调制深度提高了 4.6倍,同时器件透过率也提高了1倍,实现了调制深度和透过率的同时优化。基于实验数据,定量分析了石墨烯全光调制中调制深度与插入损耗的制约关系。此外,还在实验中观察到了脉冲光泵浦下,光生载流子引入的克尔效应和石墨烯对光的吸收引起的热效应对相位的独立影响。从时域和相位上对两个效应的作用机理进行了分析讨论,并计算了光泵浦下石墨烯和微纳光纤折射率的改变量。论文第四章,分析讨论了石墨烯在光调制技术中的应用前景。从石墨烯的基本性质出发,讨论了不同工作方式下,石墨烯调制器件的调制速度、调制深度、插入损耗和功耗等性能参数,并与铌酸锂和硅基光调制器参数进行对比,指出其不同参数之间普遍存在相互制约关系。介绍了石墨烯饱和吸收体在锁模激光器中的应用,并从饱和阈值、载流子复合时间方面将其与半导体饱和吸收体进行对比,总结了石墨烯作为饱和吸收体的优势与不足。以实验结果为基础,估算了石墨烯与光纤复合结构中的激光损伤阈值,并对具体器件模型进行了估算。论文第五章对本文的主要工作及创新点进行了总结,并对相关未来工作进行了展望。