本论文属光学工程学科,微纳光子学领域。石墨烯,一种呈蜂窝状晶格排列的单原子层二维碳单质材料,其发现获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯及其衍生材料以其独一无二的物理化学特性和广泛的应用前景,交叉跨越传统的材料科学、介观电磁学、量子信息学、热力学和凝聚态物理等诸多领域,正在为当代科技带来革命性的变化。特别是近年来在光电子学领域,基于石墨烯的光学和光子学研究提出了一系列新概念、揭示了一系列新原理、展示了一系列新现象、开发出一系列新器件,逐渐形成了石墨烯光子学的新方向。在石墨烯光子学高速发展的道路上,其与光纤的结合是大势所趋,基于光纤/石墨烯的复合波导,兼具光纤和石墨烯的优势,显现出巨大的科学研究价值和技术应用潜力:(1)传统光纤需要石墨烯提供的功能化和可调节特性以实现新的器件,石墨烯需要一种性质稳定、广泛应用、低损耗和易操作的波导载体(光纤)以实现其光学能效,推进其实用化,二者的统一相辅相成,具有必然性;(2)石墨烯作为大面积的柔性薄膜,在CVD生长和湿法转移等技术的支持下,能有效在各类光学波导上覆盖、沉积,而光纤在经过加工后能和导行倏逝波,和石墨烯高效地相互作用,二者的组合具有高度的可行性。然而,基于石墨烯的光纤光子学研究,作为一个跨越多个学科和领域的新兴课题,仍然处于探索阶段,面对复杂的实际需求,面临诸多挑战,需要在光纤/石墨烯复合波导的特性探究、结构设计、功能实现和性能评估中做大量的工作。正因为如此,光纤/石墨烯复合光波导特性研究与器件实现这一选题,视角前沿内涵丰富、服务面广,既面向世界范围内的研究热点,也切合微纳光子学发展中的战略布局。本论文在国家公派联合培养博士生项目(CSC201506070043)、国家自然科学基金项目(61290312,61205048,61107072,61107073,61475032)、教育部创新团队发展计划(IRT1218)、教育部国家外专局111项目(B14039)和电子科技大学优博选培计划优博学术支持计划等项目的支持下,我们有幸在石墨烯光学的兴起之初,在国际上率先开展了光纤/石墨烯复合波导及其传感器件的研究,为石墨烯光纤光学新分支做出了重要的贡献,主要包括:率先完成对光纤/石墨烯复合波导的物理建模和导波特性研究,首次提出和实现了全光纤测量石墨烯复合波导折射率的新方法并测定了石墨烯1500nm-1600nm的色散;提出和实现了首个石墨烯-微纳光纤气体传感器,并不断丰富结构,发展出一脉相承的光纤/石墨烯复合波导生化传感器家族,并不断提高灵敏度;提出并实现了首个基于石墨烯的脉冲随机光纤激光器和首个逼近傅里叶转换极限的石墨烯-DFB高能调Q激光器;以有源化石墨烯光纤光子学为目标,实现了片上电光可调的石墨烯DFG-SPP以及Kerr光频率梳的的激发和控制。本论文主要研究工作内容总结如下:(1)建立了光纤/石墨烯复合波导的新模型,系统阐述了将光纤/石墨烯复合波导的线性传输特性,将石墨烯等效为厚度为0.4nm的超薄波导,其光学折射率由自身电导率决定,进而影响复合波导的复数模有效折射率,演化出丰富的物理内涵。本论文从导波理论、干涉理论和模式理论出发,深入的分析了光纤/石墨烯复合波导时、频、空响应,建立了其具有广泛物理意义的光学模型。(2)提出并实现了多种光纤/石墨烯复合波导新结构,并详细介绍了各类光纤/石墨烯复合波导结构的制备工艺和表征方法。通过熔融拉锥法、化学溶蚀法,制备出直径分布从1μm到10+μm、无内部微结构和带有内部微结构的微光纤;通过机械抛磨方法,制备出材料分布从石英光纤到PMMA光纤、模式结构从单模到多模、抛磨深度达~60μm的D型光纤;通过CVD、湿法转移、液相还原和p/n掺杂技术,成功将1层到多层、长度5mm到2cm的本征、高掺甚至带有官能团的石墨烯转移到光纤上,形成了基于石墨烯的微光纤及其MZI、FBG、MMI,D形光纤及其FBG、MMI,大芯径光纤SMS等丰富的结构。(3)提出并实现了基于光纤/石墨烯复合波导的新型传感器,全面分析了其光学传感机理,设计和制备出了一系列针对不同对象,面对不同需求,基于不同工作原理的高性能微结构光纤生化传感器。基于微光纤/石墨烯复合波导和D形光纤/石墨烯MMI,演示了对丙酮、二甲苯、氨气、水蒸气等有毒或重要的化学气体的高灵敏度探测,最大测量精度达到40ppb;基于PMMA光子晶体光纤FBG,演示了对人体血红细胞浓度的传感,灵敏度达到亚ppm量级;基于部分还原氧化石墨烯和SMS的结合,创先性的完成干涉技术和荧光共振转移技术在光纤上的集成,对重金属离子、有机物和DNA实现了有选择性的测量,并实现了探测灵敏度的突破。(4)提出并实现了基于光纤/石墨烯复合波导的新型激光器,在D形光纤/石墨烯复合波导上同时展示了卓越的偏振筛选特性和超快饱和吸收效应,首次实现了无腔的脉冲型随机光纤激光器,其重频大范围可调、脉冲宽度窄达~900ps、偏振消光比超过41dB。基于<5cm的集成型分布反馈布拉格光纤光栅,首次实现了既是窄线宽(<1MHz)、又是窄脉冲(<1μs)的调Q激光器,逼近傅里叶转换极限,输出脉冲能量~10nJ。(5)揭示了基于光纤/石墨烯复合波导的高阶非线性新现象和色散调控特性,深入分析了其物理过程和响应特性,理论分析并实验演示了基于复合波导其四波混频现象(FWM)和异频激发现象(DFG),分别以CW激光和高能脉冲激光作为泵浦,在微光纤/石墨烯复合波导上实现了波长失配>10nm、转换效率>-20dB的非简并FWM和级联FWM,在片上石墨烯复合波导上实现了频率分布在~5THz到~10THz、转换效率>6×10-5的表面等离激元(SPP)激发和调控。另外,通过精确的有源色散管理和非线性平衡,还实现了光克尔频率梳的大范围可调。