CN102591041B - 石墨烯薄膜d型光纤集成式在线电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信及其传感传输技术领域，提供了一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器。其主旨在克服传统电光调制器体积大、能耗高、调制带宽窄、***损耗大、易受干扰等缺陷。该电光调制器包括二氧化硅基片、设置在二氧化硅基片凹槽内的D型光纤，涂覆在D型光纤抛光面上的石墨烯薄膜、两个相对设置在石墨烯薄膜两侧的金电极，所述金属电极其中一个与石墨烯薄膜层边缘贴附，另一个与二氧化硅基片相接，在二氧化硅基片与D型光纤形成的面上设置有用于封装的封装胶。本发明其尺寸和功耗微小、成本低，对信号光没有偏正态要求，***误差和光***损耗都很小。无晶体折射效应，脉冲质量好。石墨烯电光响应灵敏，调制速度快。
Description
技术领域
本发明属于光通信及其传感传输技术领域，提供了一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器。
背景技术
作为现代通信的主要形式，光纤通信有着宽频带、低损耗、大容量、可靠性高等特点。随着高速传输***的快速发展，人们对带宽的要求也日益提高。作为光通信的一个重要组成部分，光调制也越来越受到人们的重视。光调制技术的作用是将比特信号加载到光波上，即通过连续的开关作用产生受调制的光脉冲。按照调制器的工作原理，光调制器可以分为电光调制器、声光调制器、磁光调制器和电致吸收调制器。而电光调制能直接和电路通信***结合，是其中最成熟、应用最广泛的一种技术。
传统的电光调制器的工作原理是利用介质的线性电光效应，即Pockles效应来工作的。在外加电压的作用下，介质的有效折射率线性变化，调制输出光的强度，产生脉冲信号。其结构一般由起偏器、电光晶体、偏置电极、检偏器和信号放大器串联而成，光信号通过起偏器后进入电光晶体，电光晶体在电信号的作用下按调制要求改变折射率，使光信号被调制出不同的偏振态，经过检偏器后呈现出不同的强度，从而产生调制脉冲序列。当前，商用的电光调制器有磷酸氧钛钾晶体调制器、铌酸锂晶体调制器、单晶硅调制器等。
随着用户需求的日益提高，传统的电光调制器的众多局限性，已经成为通信科学发展不可忽视的瓶颈。首先，传统电光调制器尺寸一般为几毫米到几十厘米,体积较大，器件与光纤***之间的***损耗较大，不便于集成化和微***应用；第二，调制晶体材料的物理化学性质不够稳定，使得电光调制器易受温度湿度以及光破坏阈值等的影响；第三，传统电光调制器的驱动电压一般为几伏到几百伏，需要较高的阈值电压，能耗高、产热多、噪声大；第四，由于电光晶体，折射率均匀性不够高，吸收散射损耗较大，所以传统电光调制器能量浪费严重；第五，不同的晶体对透射光波频段有选择性，通常只有几十纳米，导致传统电光调制器带宽不够宽，而大尺寸、高驱动电压也使得其传输速率慢、有较大的响应延迟，无法满足高效率无畸变的传输要求，不利于波分复用和宽带调制；第六，传统电光调制器一般是基于偏振控制光强，对***的精度有很高的要求，易受干扰，***稳定性不够高。
石墨烯是一种碳原子呈六角蜂巢晶格排列的新型二维材料，也是目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料。其厚度仅一个碳原子直径（约10nm）；导电性强，电阻率只有约10-9欧姆，远小于铜、银等金属；对光的吸收很低，仅为2.3%，通光性良好；化学性质稳定，不易氧化。石墨烯对光的吸收性质是由其费米能级决定的。在没有施加外电压时，石墨烯的费米能级接近狄拉克点。此时，射入频率为v0的光，会被石墨烯间带中的电子吸收以改变电子能级，光被电子吸收得越多，则波导效应越弱。当施加一个负电压（通常小于-1V）时，导带扩大，禁带压缩，费米能级降低远离狄拉克点以下，在带间没有能吸收光能的束缚电子，故而对光信号表现为导通。当施加一个足够大的正电压（通常大于3.8V）时，费米能级升高，高于狄拉克点，此时，禁带比例扩大，带间传输的光被大量吸收，表现为光阻。通过调节石墨烯层的偏置电压，可以调节其费米能级，进而实现对石墨烯表面传导光的通断操作，达到了用电信号调制光信号的目的。
现代光网络中使用的许多串联设备都有与单模光纤对接的问题，结果导致***损耗增加、功率反射以及设备完整性较差等问题。其解决方法之一就是使用单面抛光的单模光纤。D型光纤，是通过对单模光纤的一段进行单面抛光过后形成的新结构光纤，由于其横截面形状类似字母“D”, 故称为D型光纤。当光在纤芯中传输时，由于导光部分接近于抛光面，一部分光会以倏逝波的形式在抛光面上传播， 因此D型光纤可以构成各种表面光倏逝波的传感器件以及各种集成式光光控制和通信器件等。
相比与传统的晶体集成电光调制器件，基于石墨烯薄膜-D型光纤结构的电光调制方式具有明显优势。首先，体积较小，用于电光调制的石墨烯薄膜厚度约几个nm，即使附加电极、基底等装置，其体积也远远小于传统集成电光调制器约10mm-100mm的尺寸；其次，损耗极低，石墨烯-D型光纤结构的电光调制器中，光从普通单模光纤输入后，沿D型光纤和石墨烯薄膜表面传播，并与之以倏逝波的形式相作用，而后由单模光纤输出光信号，所以不存在器件接入等问题，路径短，模式耦合简单；第三，能耗很小，相比于传统集成的电光调制器，石墨烯-D型光纤结构的调制方式中，电信号仅提供偏置电压，不存在电流环路，理论上不产生电热，同时原子级的能级调制的驱动电压也相对较低；第四，速度更快，带宽更大，相比传统的电光调制器，石墨烯薄膜-D型光纤结构电光调制***的带宽不受晶体性质和掺杂光纤的选频限制，可以实现可见光到远红外的广域调制。
发明内容
为了克服传统电光调制器体积大、能耗高、调制带宽窄、***损耗大、易受干扰等缺陷，提供了一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器，其尺寸较小，偏置电压约-5V，调制效率>90%，波长范围约1000nm-1700nm，调制速度可达50GHz以上。该调制器结构简单、成本低廉、尺寸微小、操作方便，能高效的集成在电路***中，实现芯片级的高速电光调制。
本发明为实现上述目的采用以下技术方案：
一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器，其特征在于：包括二氧化硅基片（6）、设置在二氧化硅基片（6）凹槽内的D型光纤（1），涂覆在D型光纤抛光面（11）上的石墨烯薄膜（2）、两个相对设置在石墨烯薄膜（2）两侧的金属电极（3），所述金属电极其中一个与石墨烯薄膜层（2）边缘贴附，另一个与二氧化硅基片（6）相接，在二氧化硅基片（6）与D型光纤（1）形成的面上设置有用于封装的封装胶。
进一步的说，所述金属电极（3）两端施加有对石墨烯薄膜（2）的光透过率进行控制的偏置电压。
进一步的说，所述封装胶为低折射率紫外胶（4）。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明由于采用了石墨烯-D型光纤结构，相比于传统电光调制器，其尺寸和功耗微小、成本低，对信号光没有偏正态要求，***误差和光***损耗都很小；无晶体折射效应，脉冲质量好；石墨烯电光响应灵敏，调制速度快（理论可达500GB/s）。
二、本发明由于采用了石墨烯-D型光纤结构，其器件尺寸微小，在微米数量级，用于电光调制的石墨烯薄膜厚度约几个nm，即使附加电极、基底等装置，其体积也远远小于传统集成电光调制器约10mm-100mm的尺寸。
三、本发明能耗很小，相比于传统集成的电光调制器，石墨烯-D型光纤结构的调制方式中，电信号仅提供偏置电压，不存在电流环路，理论上不产生电热，同时原子级的能级调制的驱动电压也相对较低；
四、本发明速度更快，带宽更大，相比传统的电光调制器，石墨烯薄膜-D型光纤结构电光调制***的带宽不受晶体性质和掺杂光纤的选频限制，可以实现可见光到远红外的广域调制。
五、本发明损耗极低，石墨烯-D型光纤结构的电光调制器中，光从普通单模光纤输入后，沿D型光纤和石墨烯薄膜表面传播，并与之以倏逝波的形式相作用，而后由单模光纤输出光信号，所以不存在器件接入等问题，路径短，模式耦合简单；
六、本发明由于采用了石墨烯-D型光纤结构，其极快的调制速率高达在10GHz以上，较宽的光谱带宽，在1000nm-1700nm之间。
附图说明
图1是D型光纤结构示意图；
图2是石墨烯结构示意图；
图3是本发明石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器的三维结构示意图；
图4是本发明石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器的横截面剖视图。
图5a和图5b为本发明石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器的工作波形示意图；
图5a为调制前的电信号与光信号示意图；
图5b为调制后的光信号示意图；
图中1-D型光纤、11- D型光纤抛光面（表面）、12-光纤纤芯、13-D型光纤包层、2-石墨烯薄膜、3-金电极、4-低折射率紫外胶、5-光纤输入输出端、6-二氧化硅基片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
如图3所示，将直径约125um的D型光纤（1）固定在约150um*300um的二氧化硅基片（6）的凹槽内，在D型光纤（1）上涂覆一层面积约25000um2单层石墨烯薄膜（2），相对设置一对金电极（3）并使其一与单层石墨烯薄膜（2）贴附在一起，另一个置于二氧化硅基片（6）上，为保护整个调制器结构，以低折射率紫外胶（4）进行上表面涂覆封装。在实际操作中，利用石墨烯材料的光传导率受外加电压控制的特性，通过石墨烯薄膜（2）两侧的金电极（3）施加偏置电压，对石墨烯薄膜（2）的光透过率进行控制，从而影响D型光纤（1）附近光的倏逝场传播，改变传输光的强度，在普通单模光纤（5）输出端形成已调脉冲，达到电光调制的目的。器件尺寸微小，在微米数量级，驱动电压低，仅为伏特数量级。极快的调制速率高达在10GHz以上，较宽的光谱带宽，在1000nm-1700nm之间。
图4是该结构的横截面剖视图。
D型光纤是由普通单模光纤研磨得到的。将单模光纤的一段采用四步法除去包层以保证D型区光滑无破损，减小了研磨抛光面的光散射。在研磨抛光的同时通过光纤纤芯与抛光面的距离来控制***损耗，因此从抛光面溢出的光能量同样受到控制。由于研磨抛光的影响，传导光感受到的有效折射率减小，最终导致D型区的模式展宽。当在模场区域喷涂非线性材料-石墨烯分散液后，光可以在不影响传输的情况下倏逝耦合入镀在抛光面的石墨烯层，这样可以提高有效作用面积高达几个数量级。耦合入石墨烯层的光的多少取决于很多因素，包括研磨抛光深度、薄膜厚度和密度和薄膜本身的性质等。最后在石墨烯层表面加上一层紫外胶保护层。传导光与石墨烯材料的作用距离较长，从而保证了足够的非线性效应。全光纤结构：一个较低的石墨烯浓度阈值即可以实现光调制。
本发明为“D型光纤-石墨烯薄膜-驱动电极-表面封装”结构。在二氧化硅基片的凹槽内固定一根直径约125um的D型光纤，在D型光纤上覆盖单层石墨烯薄膜，基片左右两侧相对地引出尺寸约200um的金电极，左边电极与石墨烯层相接触，右边电极与二氧化硅基片相接。最后将在调制器上表面用低折射率的紫外胶封装。整个调制器的厚度约10um。其工作过程为，输入光信号由普通单模光纤输入后，在D型光纤区域由于倏逝场的影响，与涂覆于D型光纤表面的石墨烯薄膜相作用。电调制信号通过金电极施加到石墨烯薄膜的两侧，产生偏置电场，有节律的改变石墨烯的光导通率，偏置电压为约-2V时石墨烯表现为通光，偏置电压为约3V时石墨烯表现为阻光，进而使沿石墨烯薄膜传导的倏逝场强度随电调制信号改变，在普通单模光纤的光输出端得到受电信号调制的光脉冲序列。
Claims (3)
1.一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器，其特征在于：包括二氧化硅基片（6）、设置在二氧化硅基片（6）凹槽内的D型光纤（1）、涂覆在D型光纤抛光面（11）上的单层石墨烯薄膜（2）、两个相对设置在石墨烯薄膜（2）两侧的金属电极（3），所述金属电极其中一个与石墨烯薄膜层边缘贴附，另一个与二氧化硅基片（6）相接，在二氧化硅基片（6）与D型光纤（1）形成的面上设置有用于封装的封装胶。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器，其特征在于：所述金属电极（3）两端施加有对石墨烯薄膜（2）的光透过率进行控制的偏置电压。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯薄膜D型光纤集成式在线电光调制器，其特征在于：所述封装胶为低折射率紫外胶（4）。
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