一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器及其方法

2023-05-26 10:47:46

專利名稱：一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器及其方法
技術領域：
本發明屬於光通信、傳感技術及其光電子器件領域，尤其涉及一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器及其方法。
背景技術：
信息社會中，數據通信和網際網路的日益發展促使市場對傳輸速率和通信容量需求不斷增加，從而對光傳輸網絡的需求量也迅速增長，在大容量光傳輸系統中，對光信號的高速調製必不可少。光調製器是高速、長距離光通信的關鍵器件，也是最重要的集成光學器件之一。光調製器按照其調製原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等。其中電光調製器在損耗、功耗、速度、集成性等方面都優於其他類型的調製器，因此最具前景並成為研究熱點。電光調製器的原理是利用晶體的電光效應，通過控制外電場來改變晶體折射率或雙折射率，從而改變輸出光波的相位或強度。近些年來，由於LiNbO3波導的低損耗、高電光效率等特性，LiNbO3電光(EO)調製器已成為高速光通信系統中最有前途的器件，其中基於馬赫-曾德(MZ)波導結構的LiNbO3行波調製器已經成為現有系統中使用最廣泛的調製器。然而這種調製器的缺點是半波電壓目前較高，調製效率較低，且由於是LiNbO3器件，無法做到全光纖化。自英國曼徹斯特大學物理學獎海姆和諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出石墨烯，這種只有一層原子厚度的材料因其奇特的結構和優異的性能，吸引了人們巨大的熱情。在不加外界電壓的情況下，石墨烯是零帶隙的半導體材料，其能帶結構在K空間呈對頂的雙錐形，費米能級在迪拉克點之上。由於單原子結構的特殊性，在迪拉克點處的電子態密度很低，電子的填充水平受外界電壓的印象很大，通過施加外部電壓，可以使石墨烯的費米能級產生移動，從而改變整體材料的電導率等性質。當外加電壓很小時，材料的電導率實部與虛部都為正數，石墨烯整體展現出介質的性質；當外加電壓達到某一臨界值時，電導率的實部和虛部都趨於零，石墨烯整體展現出半金屬的性質；當外加電壓大於某一臨界值時，其電導率的實部為負數，石墨烯整體展現出金屬的性質。通過利用石墨烯的介質、半金屬、金屬特性，可以控制光與石墨烯之間發生耦合作用，設計出具有很高的調製效率及低半波電壓的電光調製器。現有的光通信系統中大量使用獨立封裝的單個調製器，基于波導結構的石墨烯調製器需要在其兩端連接光纖，以便與光通信系統兼容；同時波導與光纖之間耦合會產生較大的損耗；而波導封裝的成本也也會增加器件的成本。因此設計一種廉價、低損耗的新型的石墨烯電光調製器具有重要的意義。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器及其方法。
基於石墨烯材料的全光纖電光調製器包括單模光纖、二氧化矽槽型基片、Al2O3過渡薄層、石墨烯薄膜，二氧化矽槽型基片上設有單模光纖，並用封裝的環氧膠固定，在單模光纖上設有凹槽，凹槽上設有Al2O3過渡薄層，Al2O3過渡薄層上設有石墨烯薄膜。所述的單模光纖包括光纖芯層和光纖包層。基於石墨烯材料的全光纖電光調製器的製作方法的步驟包括如下:
O首先將直徑約為125um的單模光纖置入與光纖外徑相匹配的二氧化矽槽型基片的槽內，用環氧膠固定；
2)在垂直於光纖長度方向進行滾圓研磨，去除光纖包層，經粗磨後用小於0.5um的金剛石微粉液精磨，再經氧化鈰粉拋光，產生光纖芯層研磨區的凹槽，凹槽深度為光纖芯層的半徑；
3)在凹槽上採用磁控濺射製作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層，採用化學氣相沉積法在銅箔上製作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜，後再進行轉移到Al2O3過渡薄層上。本發明與現有技術相比，具有的的有益效果如下:該電光調製器體積小、調製效率高、半波電壓低、製備工藝簡單、無需波導光纖耦合、封裝容易、成本低、利於全光纖化等優勢。該電光調製器採用了石墨烯光纖結構，器件尺寸微小，參考光纖直徑，為微米量級，石墨烯厚度則為幾個納米，因此該電光調製器體積遠小於傳統電光調製器約IiTioo毫米量級的尺寸，且具有一般石墨烯電光調製器調製效率高、半波電壓低的特點；該電光調製器直接在單模光纖上製備，解決了光纖和波導的耦合難題，因此大大降低了插入損耗，利於實現全光纖化；該電光調製器無需設計特殊的波導結構，只需在一段單模光纖中製備凹面過渡區，Al2O3過渡薄層及石墨烯薄膜，製備工藝簡單；基於光纖的器件封裝與現有的光纖無源器件封裝類似，因此該電光調製器利於封裝。因此一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器，實現了將光通信媒介光纖與光調製器結合，避免了傳統方法的電光調製器的引入，使得系統的複雜程度大大降低，便於應用到光集成系統、密集波分復用DWDM的系統和全光通信系統中。


圖1為基於石墨烯材料的全光纖電光調製器的三維結構示意 圖2為基於石墨烯材料的全光纖電光調製器的橫截面剖視示意 圖3為石墨烯化學勢和有效折射率實部及虛部的關係示意 圖4為光纖模場受纖芯凹面過渡而改變的示意 圖5為光纖模場進入石墨烯薄膜前的示意 圖6為石墨烯薄膜中的光纖模場示意圖。圖7為光纖模場離開石墨烯薄膜後的示意 圖8為光纖模場逐漸恢復初始狀態的示意圖。
具體實施例方式如圖1，圖2所示，基於石墨烯材料的全光纖電光調製器包括單模光纖1、二氧化矽槽型基片2、Al2O3過渡薄層4、石墨烯薄膜5，二氧化矽槽型基片2上設有單模光纖1，並用封裝的環氧膠固定，在單模光纖I上設有凹槽3，凹槽3上設有Al2O3過渡薄層4，Al2O3過渡薄層4上設有石墨烯薄膜5。所述的單模光纖I包括光纖芯層101和光纖包層102。基於石墨烯材料的全光纖電光調製器的製作方法的步驟包括如下:
1)首先將直徑約為125um的單模光纖I置入與光纖外徑相匹配的二氧化矽槽型基片2的槽內，用環氧膠固定；
2)在垂直於光纖長度方向進行滾圓研磨，去除光纖包層102，經粗磨後用小於0.5um的金剛石微粉液精磨，再經氧化鈰粉拋光，產生光纖芯層101研磨區的凹槽3，凹槽深度為光纖芯層101的半徑，不同於一般D型傳感器的平面研磨，採用滾圓研磨可以產生光纖芯層101研磨區的漸變凹面過渡結構，這樣有利於降低光纖插入損耗與回波。凹槽3的加工深度可以由臺階儀、輪廓儀或幹涉儀等手段進行測量，以便對加工凹槽3的深度進行精密測量與控制；
3)在凹槽3上採用磁控濺射製作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層4，採用化學氣相沉積法在銅箔上製作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜5，後再進行轉移到Al2O3過渡薄層4上。由於光纖纖芯101折射率大約為1.45，而石墨烯材料的有效折射率隨費密能級的狀態具有很大的動態可調性，引入折射率大約為1.76的Al2O3過渡薄層4有利於光學模場分布的穩定，同時由於其附著力和傳熱性都與光纖纖芯101和石墨烯薄膜5匹配較好，因此有利於增加複合膜層的強度與性能。本發明的原理如下:
輸入信號光由普通單模光纖I輸入後，光纖纖芯101洩露出的消逝場與塗敷在Al2O3過渡薄層4上的石墨烯薄膜5相互作用，在石墨烯的表面耦合形成一層表面等離子波，石墨烯越長，光場與石墨烯的作用長度越長，石墨烯對光場的吸收也就越大。電調製信號通過金屬電極施加到石墨烯薄膜5上，與表面等離子波耦合，產生偏置電場，有規律地改變石墨烯的電導率特性，從而改變其有效折射率的虛部或實部，其中，有效折射率的虛部與吸收損耗相關，而有效折射率的實部與介質的折射率相關。如圖3所示，化學勢(施加的電壓)的改變會造成石墨烯有效折射率虛部和實部的改變，當化學勢在0.505 eV到0.525 eV附近，有效折射率的虛部較大，石墨烯表現很強的吸收特性，可以設計成電吸收強度調製器，有效折射率的實部則會經歷一個較大幅度的跳變，造成相位的突變，可以設計成相位調製器。圖Γ圖8給出了光纖橫斷面上本徵模場在石墨烯調製器中隨光纖長度方向上不同位置的變化。初期階段，光纖波導中的模場由於凹槽3的研磨加工凹面的影響，其模場形狀將逐漸產生改變，由於垂直方向受到凹槽3的加工凹面過渡的影響，光模場在垂直方向受約束變形，如圖4，圖5所示，光纖纖芯101部分能量還將溢出光纖波導成為消逝波；在進入石墨烯薄膜5區域後，由於石墨烯複合層的有效折射率比光纖纖芯101區要高，石墨烯複合層起到了對光波傳輸模場的約束作用，光模場逐漸形成石墨烯薄膜5複合層結構局域約束的傳輸表面等離子體波，並在石墨烯薄膜5的兩端還呈現「耳朵」狀約束的邊緣模場效應，如圖6所示。與金屬表面傳輸的等離子體不同的是，石墨烯對光模場限制好，傳輸距離可以很長。光纖模場離開石墨烯薄膜5後，失去了由石墨烯複合結構的模場約束作用，由於光纖纖芯101研磨區的的漸變過渡結構，如圖7，圖8所示，光模場重新回到初始狀態的波導模場分布。
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以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器，其特徵在於:包括單模光纖(I)、二氧化矽槽型基片(2)、Al2O3過渡薄層(4)、石墨烯薄膜(5)，二氧化矽槽型基片(2)上設有單模光纖(1)，並用封裝的環氧膠固定，在單模光纖(I)上設有凹槽(3)，凹槽(3)上設有Al2O3過渡薄層(4)，Al2O3過渡薄層(4)上設有石墨烯薄膜(5)。
2.根據權利要求1所述的一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器，其特徵在於:所述的單模光纖(I)包括光纖芯層(101)和光纖包層(102)。
3.—種如權利要求1所述基於石墨烯材料的全光纖電光調製器的製作方法，其特徵在於:它的步驟包括如下: 1)首先將直徑約為125um的單模光纖(I)置入與光纖外徑相匹配的二氧化矽槽型基片(2)的槽內，用環氧膠固定； 2)在垂直於光纖長度方向進行滾圓研磨，去除光纖包層(102)，經粗磨後用小於0.5um的金剛石微粉液精磨，再經氧化鈰粉拋光，產生光纖芯層(101)研磨區的凹槽(3)，凹槽深度為光纖芯層(101)的半徑； 3)在凹槽(5)上採用磁控濺射製作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層(4)，採用化學氣相沉積法在銅箔上製作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜(5)，後再進行轉移到Al2O3過渡薄層(4)上。
全文摘要
本發明公開了一種基於石墨烯材料的全光纖電光調製器及其方法。它包括單模光纖、二氧化矽槽型基片、Al2O3過渡薄層、石墨烯薄膜，二氧化矽槽型基片上設有單模光纖，並用封裝的環氧膠固定，在單模光纖設有凹槽，凹槽設有Al2O3過渡薄層，Al2O3過渡薄層上設有石墨烯薄膜。通過變化金屬電極上施加的電壓改變石墨烯的電導率特性，從而改變石墨烯複合層結構有效折射率的虛部或實部，實現電吸收強度調製器或者相位調製器。本發明實現全光纖電光調製器的設計，具有尺寸和功耗微小，插入損耗低，調製速度快，有利於光集成等特點。此外由於未引入額外光電子器件，本發明適用於在全光通信系統中和密集波分復用(DWDM)系統中應用。
文檔編號G02F1/035GK103176294SQ20131011264
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者周鋒, 郝然, 周金海, 金曉峰, 章獻民, 鄭史烈, 池灝 申請人:浙江大學