基於d型光纖的石墨烯電光調製器及其製備方法
2023-06-29 17:21:21 1
專利名稱：基於d型光纖的石墨烯電光調製器及其製備方法
基於D型光纖的石墨烯電光調製器及其製備方法所屬領域
本發明涉及一種石墨烯電光調製器，特別是一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器的製備方法，屬於光電子器件領域。
背景技術：
目前，電光調製器用於調節光束開關,把電信號轉化成光學信號傳輸數字信息,多用於網際網路連接。石墨烯(graphene)是由碳原子構成的二維晶體，也有人使用「單層石墨」 作為其稱呼。在石墨烯中，碳原子以Sp2雜化並排列成蜂窩狀六角平面結構。石墨烯也是其它碳材料同素異形體的基本構成單元。石墨烯在2004年首先被英國曼徹斯特大學的科學家發現，石墨烯的發現者於2010年獲得了諾貝爾物理學獎。石墨烯中載流子的室溫遷移率>20000 cm2/Vs,比目前所知的任何半導體材料都高，包括半導體行業中大規模應用的矽材料，被認為是未來納米電子器件中矽的替代者。石墨烯對光的透過率高達97. 7%，其中約2. 3%的光會被吸收，石墨烯能吸收的光涵蓋數千納米，從紫外線到紅外線都可吸收，因此是一種與波長無關的吸收材料。將石墨烯施加不同電壓，石墨烯中電子的能量(費米能級)會改變，而石墨烯是否吸收光線也會決定其費米能級。當施加充足電壓時，石墨烯的費米能級會上升或下降至1/2入射光子能量(相對於本徵石墨烯費米面即狄拉克點位置)，則入射光子不能被電子吸收生成電子空穴對。因此，當光子通過石墨烯時，石墨烯完全透明，「打開」光線。反之，當施加電壓不滿足以上「臨界點」，即不足以改變石墨烯費米面至1/2入射光子能量(相對於本徵石墨烯費米面即狄拉克點位置)，則部分光子會被電子吸收並產生電子空穴對，從而「關閉」光線。於是，石墨烯便有了通過改變其加載電壓來打開或關閉光線的能力，即可充當電光調製器。用石墨烯這種世界上最薄且最堅硬的新型材料，可做成高速、耐熱、寬帶、廉價和小尺寸的調製器。調製消光比是調製器的一個重要參數，定義為調製後輸出光功率在打開和關斷狀態之間的功率差別。由於單層石墨烯的吸收僅為2. 3%，不加電壓時透過的光功率高達97.7%，施加臨界電壓讓石墨烯對光完全透明，即透過100%功率，因此調製消光比為一 10XLOG(97. 7%/100%) =0. 13dB。如此小的功率差別導致根本無法觀測功率變化，而普通調製器的消光比需要至少大於13dB。因此需要特殊設計石墨烯調製器來滿足消光比的要求。現有的網際網路網絡傳輸是以銅導線為主，已接近了瓶頸階段。科學家們正在研究用光來傳輸信息，但已有的光學調製器具有成本太高、體積太大、對溫度過於敏感等缺陷。 現有的光通信系統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為了和光纖通信系統兼容，需要在兩端連接光纖。由於石墨烯波導調製器的波導結構較為特殊，大部分光能量在波導表面傳播，因此波導與光纖之間的稱合存在較大的困難，稱合損耗會很大。此外，波導和光纖耦合之後需要進行封裝，而波導封裝成本往往會佔據整個器件成本的很大一部分。因此需要設計一種新型的石墨烯電光調製器來解決上述問題
發明內容
為了解決以上存在的問題，本發明提供了一種石墨烯電光調製器，它具有消光比大、製備工藝簡單、無需波導光纖耦合、封裝容易、成本低等優勢。
為達到以上目的，本發明採用了以下技術方案一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其製備方法具有如下步驟a、D型光纖製備；b、石墨烯製備；C、石墨烯轉移至D型光纖纖芯表面；d、石墨烯電極製備；e、鍍絕緣層；f、製備正電極；g、封裝。
本發明是將光纖上一段製作成D型凹槽，在D型光纖表面敷設有石墨烯，在石墨烯的一端製備有金屬電極及引線，在石墨烯薄膜上鍍有一層絕緣層；所述絕緣層為Al2O3或其它具有高介電常數的絕緣層，所述絕緣層鍍設在石墨烯薄膜上金屬電極旁邊；所述的金屬電極為導電性電極，所述導電性電極是Au或者Pt。
本發明一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器製備工藝流程具體如下1、D型光纖製備採用化學腐蝕法或其它方法在單模光纖需要製備調製器的部分去除塗覆層和包層，將纖芯暴露在空氣中；2、石墨烯薄膜製備利用化學氣相沉積法或其它方法製備大尺寸高質量石墨烯；3、石墨烯薄膜轉移到D型光纖表面通過化學溶液腐蝕石墨烯襯底的方法使石墨烯漂浮在溶液表面，用D型光纖作為襯底將石墨烯薄膜轉移出，即獲得石墨烯貼膜D型光纖；4、石墨烯電極製備在石墨烯靠近D型光纖端面的一端加金屬電極，並製備引線。由於石墨烯本身具有很好的導電性，和金屬電極接觸的石墨烯自身成為電極；5、鍍絕緣層在石墨烯未鍍金屬電極的面積上方鍍絕緣層。避免石墨烯與第六步上電極的直接接觸；6、製備正電極在絕緣層正上方再鍍一層金屬電極，並製備引線。在兩電極的引線上加載電壓之後，產生的電場垂直於石墨烯表面，可改變石墨烯的費米能級，從而實現電光調製的效果；7、封裝採用現有光纖器件的封裝工藝完成D型光纖石墨烯電光調製器的封裝； 本發明採用以上技術方案後，具有以下有益效果一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，具有消光比大、製備工藝簡單、無需波導光纖耦合、封裝容易、成本低等優勢。光與石墨烯的相互作用長度由D型光纖以及石墨烯的長度決定，可以達到cm量級，容易實現大的消光比，符合數字通信系統對調製消光比的要求；該調製器無須設計特殊的波導結構，只需在一段普通的單模光纖上先後製備D型光纖，鍍石墨烯膜和電極等，工藝簡單；由於此電光調製器直接在光纖上製備，避免了波導結構與光纖的耦合難題，插入損耗很低；此外基於光纖的器件封裝與現有的光纖無緣器件封裝工藝相似，易于波導器件的封裝。因此基於D型光纖的石墨烯電光調製器能很好的滿足數字光纖通信系統的要求，並與現有光纖通信系統完全兼容，製備簡單，成本低，能產生巨大的經濟效應。導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性。可去除任何光纖塗覆層和包層，還可產生單層石墨烯。此製備方法可轉移任何石墨烯。
下面結合附圖對本發明作進一步描述。圖I為本發明結構示意圖。圖2為本發明D型光纖石墨烯調製器截面圖。圖3為本發明封裝圖。圖中1、光纖 2、D型光纖 3、石墨烯電極和引線 4、石墨烯 5、絕緣層
6、金屬電極和引線。
具體實施例方式根據圖I、圖2、圖3所示，一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其製備方法具有如下步驟
a、D型光纖製備
首先使用光纖剝線鉗在一段單模光纖I的中部約2cm長度去除塗覆層，然後採用化學腐蝕法在已去塗覆層單模光纖I中部選擇Icm長度，去除包層，將纖芯暴露在外；
b、石墨烯薄膜製備
利用化學氣相沉積法製備IcmX Icm高質量石墨烯4，並採用化學腐蝕法去除石墨烯 4生長襯底，使石墨烯漂4浮在溶液表面；
C、石墨烯薄膜轉移到D型光纖表面
用D型光纖2作為新的石墨烯4襯底，將漂浮在溶液表面的石墨烯4薄膜轉移出，即獲得石墨烯4貼膜D型光纖2 ；
d、石墨烯電極製備
在石墨稀4罪近D型光纖2端面的一端加Au電極3,並製備引線；
e、鍍絕緣層
在石墨烯未鍍Au電極的面積上方鍍80nm厚Al2O3絕緣層；
f、製備正電極
在Al2O3絕緣層正上方再鍍一層Au電極，並製備引線； g :封裝
採用現有光纖器件的封裝工藝完成D型光纖石墨烯電光調製器的封裝。本發明是將光纖I上一段製作成D型凹槽，在D型光纖2表面敷設有石墨烯4，在石墨烯4的一端製備有金屬電極3及引線，在石墨烯4薄膜上鍍有一層絕緣層5。所述絕緣層5為Al2O3或其它具有高介電常數的絕緣層，所述絕緣層5鍍設在石墨烯4薄膜上金屬電極6旁邊。所述金屬電極6為導電性電極，所述導電性電極是Au或者Pt。所述D型光纖2 可通過V型槽固定在矽或其它材料襯底上以方便電極絕緣層製備以及封裝測試。
具體實施方式
如下首先在一根普通單模光纖I上選擇一段Clcm長)去除塗覆層和包層，製作成D型光纖2。然後將製備好的石墨烯4薄膜轉移到D型光纖2上，讓石墨烯4薄膜完全覆蓋D型光纖2的纖芯。因此從纖芯洩漏出的光消逝場和石墨烯4相互作用，石墨烯4越長,光場與石墨烯4的作用長度越長，石墨烯4對光場的吸收就越大。在石墨烯4的一端製備金屬電極5及引線，然後在石墨烯4薄膜上金屬電極3旁邊鍍一層Al2O3 絕緣層5，在絕緣層5正上方鍍金屬電極3並加引線，最後採用現有光纖器件的封裝工藝完成D型光纖2的石墨烯4電光調製器封裝。
權利要求
1.一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其特徵是其製備方法具有如下步驟a、D型光纖製備；b、石墨烯製備；c、石墨烯轉移至D型光纖纖芯表面；d、石墨烯電極製備；e、鍍絕緣層；f、製備正電極；g、封裝。
2.根據權利要求1所述的一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其特徵是將光纖 (1 )上一段製作成D型凹槽，在D型光纖(2 )表面敷設有石墨烯(4 )，在石墨烯(4 )的一端製備有金屬電極及引線(3 )，在石墨烯(4 )薄膜上鍍有一層絕緣層(5 )。
3.根據權利要求1、2所述的一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其特徵是所述絕緣層(5 )為Al2O3或其它具有高介電常數的絕緣層，所述絕緣層(5 )鍍設在石墨烯(4 )薄膜上金屬電極及引線(6)旁邊。
4.根據權利要求1所述的一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，其特徵是所述金屬電極及引線(6)為導電性電極，所述導電性電極是Au或者Pt。
全文摘要
本發明涉及一種基於D型光纖的石墨烯電光調製器，是將光纖(1)上一段製作成D型凹槽，在D型光纖(2)表面敷設有石墨烯(4)，在石墨烯(4)的一端製備有金屬電極及引線(3)，所述石墨烯(4)薄膜上鍍有一層絕緣層(5)；所述絕緣層(5)為Al2O3或其它具有高介電常數的絕緣層，所述絕緣層(5)鍍設在石墨烯(4)薄膜上金屬電極及引線(6)旁邊；所述的金屬電極及引線(6)為導電性電極，所述導電性電極是Au或者Pt；本發明在兩電極引線上加電信號，產生垂直於石墨烯(4)薄膜的電場，從而改變石墨烯(4)的費米能級，實現通過石墨烯(4)的光信號吸收強度的改變，從而實現石墨烯(4)的電光調製功能。
文檔編號G02F1/035GK102540506SQ20111045778
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者丁榮, 義理林, 倪振華 申請人:泰州巨納新能源有限公司