CN111045228A - 基于石墨烯d型双芯光纤m-z调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M‑Z调制器及其制备方法。其特征是：它由V型槽1、双芯光纤3、环氧胶4、金属电极5、H‑BN过渡层6以及石墨烯层7组成。具体是在一段双芯光纤的侧抛区两端通过熔融拉锥的方法制备两个耦合器8，分别为输入端耦合器8‑1及输出端耦合器8‑2；用以在双芯光纤的两个纤芯光路上构造M‑Z干涉仪。通过M‑Z的方式将纤芯一和纤芯二输出的光作为M‑Z调制器的两臂,由于金属电极外加电压的作用使两个纤芯内传输光产生附加相位差，通过调节外加电压的输入，干涉仪两臂光路间相位差在0‑2π之间连续变化，进而实现输出端光强连续调制。本发明可广泛用于光纤通信和光纤传感领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法，可用于光纤通信和光纤传感，属于光纤集成器件领域。
(二)背景技术
调制器是光纤通信中光信号处理***中的关键器件，它将信号加载到光上传输，这样能实现长距离、大容量的信息传输。当今人类社会信息的交流与人们的生活息息相关，光纤通信***在人类生活中起着不可替代的作用，作为其中的关键器件，调制器将向损耗小、结构紧凑、带宽容量大即能传输更多的信息方向发展。
到目前为止，对光纤调制器的研究主要分为以下两类；一类是通过控制光路中的物理干扰来实现调制；另一类是通过在光纤中注入一些吸收特性的材料或者部分反射的材料，如液晶、某些特定的化合物或者金属氧化物来实现调制器的功能。而从调制器的原理来说，光纤调制器又可以分为声光调制器、电光调制器、磁光调制器和热光调制器等。然而，由于在光纤纤芯和外部物质之间存在着一个较大的光纤包层区域，光纤本身的结构由二氧化硅组成，作为一种理想的光传输介质，光纤对外部干扰具有较高的稳定性，因此这对实现全光纤调制器增加了难度，这使得光调制变得难实现；其次，对于硅材料，光和物质之间的作用十分有限，现在一般而言硅材料有效折射率的变化最大在10-4，由此实现的调制器的尺寸较大，甚至有些光纤调制器的长度需要达到m的量级来实现光调制，难以和现在的光集成电路结合，因此很多提出的光纤调制器结构并不符合集成光学的要求。为了能够控制光纤中光的传输和提高调制效率，需要采用一些新的全光纤结构或者新材料来增加对光传输的控制。
随着新型二维材料石墨烯的发现以及对它的一些特性的深入研究，发现石墨烯有独特零带隙的狄拉克锥的能带结构，所以能使石墨烯具有在外界泵浦光的作用下，电子能产生带间跃迁过程，石墨烯同时具有响应光谱范围宽等特性。现在光纤通信基本用光纤传输，利用光纤制成的调制器可以集成式，且光纤具有不像波导器件那样接入到光纤***的高损耗。
专利CN 103176294 A公开的基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法采用了类似的结构，通过对金属电极施加电压改变石墨烯的电导率特性，从而改变石墨烯复合层结构有效折射率的虚部或实部，实现其相位调制。但该发明采用单模光纤进行调制，因此其调节能力受到限制，调节方式不够灵活。
专利CN 201810545677.1公开的基于D型双芯光纤的多层石墨烯多输出方式的调制器通过改变两纤芯半径、两纤芯间距、包层半径以及石墨烯层数来构成多种输出方式的调制器。该调制器利用多层石墨烯提高了调制器的调制效果，具有高消光比和良好的兼容性。但由于其双芯光纤没有固定，对其侧抛制成D型双芯光纤存在较大困难。
本发明公开的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器，利用了石墨烯的电化学性质、双芯光纤的耦合特性以及M-Z结构的优点，具有集成式、结构紧凑以及小型化等特点。此外，本发明设计了专门固定放置双芯光纤的与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽，且本发明提出的调制器的金属电极在该V型槽上制备，金属电极的宽度从D型光纤延伸至V型槽的两侧的顶端，使其在制作上更加方便。该结构可以作为一种新型的调制器，在将来的光纤通信***研究中具有很大的应用潜力。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种集成式、结构更紧凑、小型化以及制作方便的基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
该石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器其特征是：它由V型槽1、双芯光纤3、金属电极5、H-BN过渡层6以及石墨烯层7组成。所述***中将双芯光纤3放置于V形槽1内，用环氧胶4固定后，在垂直于双芯光纤3长度方向进行侧抛，得到D型双芯光纤结构；在侧抛区沉积石墨烯层和H-BN过渡层6衬底，再在衬底上再涂覆石墨烯层7，在H-BN过渡层6上制备金属电极；最后通过在双芯光纤3的侧抛区前后两端用熔融拉锥的方法制备耦合器8，分别为输入端耦合器8-1及输出端耦合器8-2，用以在两个纤芯光路上构造M-Z干涉仪。当双芯光纤3中某一纤芯入射强度为P0的光波时，经输入端耦合器8-1后分成两束，并分别进入双芯光纤3中两个纤芯中继续传输。改变金属电极5所施加电压大小，引起石墨烯层7折射率的改变，从而使双芯光纤3的调制臂的有效折射率发生改变，进而使两路光波间产生附加相位差。通过相应的外加信号，能够实现两路光波间相位差在0-2π之间的连续变化，从而实现输出光强在0-P0之间的连续性调制。
基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器的制备方法，其步骤如下：
1)将双芯光纤3放置于专门设计的与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽1内，用环氧胶4固定；
2)在垂直于双芯光纤3长度方向进行抛磨得到D型双芯光纤结构，在侧抛区沉积一层石墨烯层7和一层H-BN过渡层6衬底，再在衬底上再涂覆一层石墨烯层7；
3)在H-BN过渡层6制备金属电极5。该金属电极5结构由源极、漏极、双层石墨烯层7以及在双层石墨烯之间涂敷的H-BN过渡层6组成。在H-BN过渡层6制备金属电极5，该金属电极5的源极与上层石墨烯层接触，而漏极与下层石墨烯接触，其宽度是从双芯光纤3延伸至V型槽1两侧的顶端。
4)在双芯光纤3侧抛区的前端和后端通过熔融拉锥的方法，使得双芯光纤3中的两个纤芯互相靠近，构成耦合器8，分别为输入端耦合器8-1及输出端耦合器8-2。从而研制基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器。
光纤具有不像波导器件那样接入到光纤***的高损耗。D型光纤比普通光纤更能缩短石墨烯层与倏逝场的距离，使石墨烯的作用更强烈，调制性能显著提升，具有调制速率高、尺寸小的特点。相比于单芯光纤调制器，双芯光纤3具有稳定的偏振特性和优越的耦合特性。将双芯光纤3以熔融拉锥的方法构成M-Z干涉仪，由于外加电压的输入，干涉仪两臂光路间相位差在0-2π之间连续变化，进而实现输出端光强连续调制。
采用侧抛***对双芯光纤进行抛膜可以产生光纤研磨区的渐变凹面过渡结构，有利于降低成型后光纤调制器件的***损耗和回波。在双芯光纤的侧抛区制备两层石墨烯层7，在两层石墨烯层之间涂敷一层六方氮化硼(H-BN)的过渡层6，在H-BN过渡层6制备金属电极5。由于石墨烯材料的有效折射率随费密能级的状态具有很大的动态可调性，引入H-BN过渡层6有利于稳定两层石墨烯间模场分布的稳定，且传热和附着力与石墨烯层匹配良好，因此在两层石墨烯之间加入H-BN的过渡层有利于增加光纤涂覆面复合层的强度和韧性，且可以有效防止两层石墨烯与过渡层形成的等效电容模型被外加电压击穿。
(四)附图说明
图1是将双芯光纤3用环氧胶4固定在与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽1的示意图。
图2是在垂直与双芯光纤长度的方向对其特定区域进行侧抛，形成D型双芯光纤结构示意图。
图3是在双芯光纤3的侧抛区制备两层石墨烯层7，将H-BN的过渡层6涂敷在两层石墨烯层7之间，然后在H-BN过渡层6制备金属电极5的示意图。
图4是在双芯光纤3的侧抛区前后两端通过熔融拉锥的方法，使双芯光纤3中的两个纤芯相互靠近，构成耦合器8-1、8-2，从而研制出的基于石墨烯D型双芯光纤M-Z结构调制器的示意图。
图5是基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器的横截面剖视示意图。
图6是光路在基于石墨烯D型双芯光纤M-Z结构中的干涉示意图。其中91、92为熔接在双芯光纤中纤芯21前后两端的单模光纤，10为铺设过渡层和石墨烯层的D型区。当一束光强为Iin的光输入，经过D型双芯光纤M-Z结构，原始光分成了纤芯一21传输的光I01和纤芯二22传输的光I02两部分，最后在输出端干涉形成Iout。
图7是驱动电压与石墨烯化学势的关系示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
本发明的原理如下：
石墨烯可以被抽象成无限薄的具有双表面的材料，其表面电导率σ与***角频率ω、化学势μ、散射率τ以及温度T相关。石墨烯的电导率是各向同性的媒介，其表面电导率值可以由Kubo公式计算得到
σ＝σintra+σinter
式中：σintra为带内电导率，σinter为带间电导率，可分别表示为
式中：
为约化普朗克常数；KB为玻尔兹曼常数；e为电子电荷量；T为温度，为常温下298K；τ为载流子散射率，τ＝2×1012rad/s。因此，石墨烯的电导率大小与工作频率和化学势有关。根据等效介电常数公式，石墨烯的介电常数与电导率的关系为
式中：ε0为真空介电常数；d为单层石墨烯的厚度。石墨烯折射率n与介电常数ε的关系为
由此，石墨烯电导率和折射率受化学势的影响。另外，化学势与外加电压有关，二者的关系为
式中：εr为相对介电常数；VF为费米速度，VF＝1.1×106m/s；Vg为外加电压。因此，外加电压与石墨烯折射率形成直接确定的关系，通过控制外加电压，改变石墨烯的折射率和介电常数，从而使得调制的可行性得到理论验证。
而当一束光强为Iin的光输入，经过D型双芯光纤M-Z结构，原始光分成了纤芯一21传输的光I01和纤芯二22传输的光I02两部分，最后在输出端干涉形成Iout。
其中，φ表示了纤芯一21和纤芯二22中传输的光的相位差：
式中，L为M-Z结构的腔长，Δneff是有效折射率的差，λ为波长。由此可知，当输入光信号时，纤芯二22传输光的强度I1将发生改变，通过相应外加电压的输入会改变石墨烯中的电子分布，从而影响到石墨烯的有效折射率，即改变了式中的有效折射率差Δneff，进而可以实现输出强度的连续变化。
基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器其制备方法如下：
1)将双芯光纤3放置于专门设计的与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽1内，用环氧胶4固定；2)在垂直于双芯光纤3长度方向进行侧抛，在侧抛区沉积一层石墨烯层7和一层H-BN过渡层6衬底，再在衬底上再涂覆一层石墨烯层7；3)在H-BN过渡层6制备金属电极5。该金属电极5的源极与上层石墨烯接触，而漏极与下层石墨烯接触，其宽度是从双芯光纤3延伸至V型槽1两侧的顶端；4)在双芯光纤3侧抛区的前端和后端通过熔融拉锥的方法，使得双芯光纤3中的两个纤芯互相靠近，构成耦合器8，分别为输入端耦合器8-1及输出端耦合器8-2。从而研制基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器。
Claims (2)
1.一种基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法。其特征是：它由V型槽1、双芯光纤3、环氧胶4、金属电极5、H-BN过渡层6以及石墨烯层7组成。所述***中将双芯光纤3放置于V形槽1内，用环氧胶4固定后，在垂直于双芯光纤3长度方向进行侧抛，得到D型双芯光纤结构；在侧抛区沉积石墨烯层和H-BN过渡层6衬底，再在衬底上再涂覆石墨烯层7，在H-BN过渡层6上制备金属电极；最后通过在双芯光纤3的侧抛区前后两端用熔融拉锥的方法制备耦合器8，分别为输入端耦合器8-1及输出端耦合器8-2，用以在两个纤芯光路上构造M-Z干涉仪。当双芯光纤3中某一纤芯入射强度为P0的光波时，经输入端耦合器8-1后分成两束，并分别进入双芯光纤3中两个纤芯中继续传输。改变金属电极5所施加电压大小，引起石墨烯层7折射率的改变，从而使双芯光纤3的调制臂的有效折射率发生改变，进而使两路光波间产生附加相位差。通过相应的外加信号，能够实现两路光波间相位差在0-2π之间的连续变化，从而实现输出光强在0-P0之间的连续性调制。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法，其步骤如下：
1)将双芯光纤3放置于专门设计的与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽1内，用环氧胶4固定；
2)在垂直于双芯光纤3长度方向进行抛磨得到D型双芯光纤结构，在侧抛区沉积一层石墨烯层7和一层H-BN过渡层6衬底，再在衬底上再涂覆一层石墨烯层7；
3)在H-BN过渡层6制备金属电极5。该金属电极5结构由源极、漏极、双层石墨烯层7以及在双层石墨烯之间涂敷的H-BN过渡层6组成。在H-BN过渡层6制备金属电极5，该金属电极5的源极与上层石墨烯层接触，而漏极与下层石墨烯接触，其宽度是从双芯光纤3延伸至V型槽1两侧的顶端。
4)在双芯光纤3侧抛区的前端和后端通过熔融拉锥的方法，使得双芯光纤3中的两个纤芯互相靠近，构成耦合器8，分别为输入端耦合器8-1及输出端耦合器8-2。从而研制基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器。
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