專利名稱：石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信及其傳感傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光信號(hào)的調(diào)制裝置。
技術(shù)背景
光通信技術(shù)作為現(xiàn)代通信骨干網(wǎng)的核心，支撐著當(dāng)代的信息工業(yè)。光調(diào)制技術(shù)是光通信的基礎(chǔ)，其作用是將比特信號(hào)加載到光波上，即通過(guò)連續(xù)的開關(guān)作用產(chǎn)生受調(diào)制的光脈沖。基于電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Franz-Keldysh效應(yīng)、量子阱Mark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等原理，人們開發(fā)出了各種光調(diào)制器件。
電光調(diào)制能直接和電路通信系統(tǒng)結(jié)合，是其中最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的電光調(diào)制器的工作原理是利用某些晶體有效折射率隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度改變而改變的特性，調(diào)制輸出光的強(qiáng)度，以產(chǎn)生脈沖信號(hào)的，其結(jié)構(gòu)一般由起偏器、電光晶體、偏置電極、檢偏器和信號(hào)放大器串聯(lián)而成，光信號(hào)通過(guò)起偏器后進(jìn)入電光晶體，電光晶體在電信號(hào)的作用下按調(diào)制要求改變折射率，使光信號(hào)被調(diào)制出不同的偏正態(tài)，經(jīng)過(guò)檢偏器后呈現(xiàn)出不同的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生調(diào)制脈沖序列。當(dāng)前，商用的電光調(diào)制器有磷酸氧鈦鉀晶體調(diào)制器、鈮酸鋰晶體調(diào)制器、單晶硅調(diào)制器等等。
但是，傳統(tǒng)的電光調(diào)制器有很多局限性，越來(lái)越成為通信科學(xué)發(fā)展的瓶頸。首先， 傳統(tǒng)電光調(diào)制器體積大，尺寸一般為幾毫米到幾十厘米，既不便于集成化操作又不便于微系統(tǒng)應(yīng)用；第二，傳統(tǒng)電光調(diào)制器能耗高，其驅(qū)動(dòng)電壓一般為幾伏到幾百伏，有較大的閾值、 功耗、產(chǎn)熱、噪聲和危險(xiǎn)性；第三，傳統(tǒng)電光調(diào)制器損耗大，電光晶體的衰減可達(dá)20%-30%， 能量浪費(fèi)嚴(yán)重；第四，傳統(tǒng)電光調(diào)制器帶寬小、速率慢、有較大的響應(yīng)延遲，不同的晶體對(duì)透射光波頻段有選擇性，通常只有幾十納米，而大尺寸、高驅(qū)動(dòng)電壓也限制了器件的響應(yīng)速度，不利于波分復(fù)用和寬帶調(diào)制；第五，傳統(tǒng)電光調(diào)制器，基于偏振控制光強(qiáng)，要求很高的系統(tǒng)精度，容易被干擾，有不穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是傳統(tǒng)電光調(diào)制器體積大、能耗高、制備成本高、帶寬窄、易干擾等缺陷。
石墨烯，作為一種新的二維材料，性能優(yōu)越。其尺寸微小，厚度為一個(gè)碳原子直徑 (^lOnm)；導(dǎo)電性強(qiáng)，電阻遠(yuǎn)小于金、銀等金屬?gòu)V9-10歐姆)；通光性好，單層石墨烯透光率為97. 7%;化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化。石墨烯對(duì)光的吸收性能由其費(fèi)米能級(jí)決定。在沒(méi)有施加外電壓時(shí)，石墨烯的費(fèi)米能級(jí)接近狄拉克點(diǎn)。此時(shí)，射入頻率為vO的光，會(huì)被石墨烯間帶中的電子吸收以改變電子能級(jí)，光被電子吸收得越多，則波導(dǎo)效應(yīng)越弱。當(dāng)施加一個(gè)負(fù)電壓 (通常小于-IV)時(shí)，導(dǎo)帶擴(kuò)大，禁帶壓縮，費(fèi)米能級(jí)降低遠(yuǎn)離狄拉克點(diǎn)以下，在帶間沒(méi)有能吸收光能的束縛電子，故而對(duì)光信號(hào)表現(xiàn)為導(dǎo)通。進(jìn)而，當(dāng)施加一個(gè)足夠的正電壓(通常大于 3. 8V)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)升高，高于狄拉克點(diǎn)，此時(shí)，禁帶比例擴(kuò)大，帶間傳輸?shù)墓獗淮罅课?，表現(xiàn)為光阻。通過(guò)有節(jié)律的調(diào)節(jié)石墨烯層的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)其費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯表面?zhèn)鲗?dǎo)光的通斷操作，達(dá)到了用電信號(hào)調(diào)制光信號(hào)的目的。
微光纖，又稱亞波長(zhǎng)光波導(dǎo)線，其纖芯直徑與傳導(dǎo)波波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，光以倏逝場(chǎng)形式沿微光纖傳播，對(duì)纖芯外環(huán)境非常敏感?；陔姶爬碚?，沿微光纖傳播的光波能量分布受微光纖直徑和形態(tài)影響，直徑越小的微光纖倏逝場(chǎng)效應(yīng)越明顯，在纖外也有更多能量比例，光纖外分布的高階模易于與貼近微光纖的其他波導(dǎo)相耦合。
基于上述石墨烯和微光纖的特性，解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案提供一種石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，包括基片、微光纖、石墨烯薄膜、金絲電極和紫外膠；所述微光纖先固定在基片上，再在微光纖上覆蓋石墨烯薄膜，所述兩金絲電極附貼在石墨烯薄膜的邊緣，最后用紫外膠將微光纖、石墨烯薄膜和金絲電極封裝在基片上，僅留出微光纖接頭和金絲電極接頭。
所述微光纖接頭通過(guò)單模光纖接入光路連接，傳播光載波信號(hào)。
所述金絲電極接頭連接電調(diào)制信號(hào)，控制微光纖附近的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度。
所述基片為二氧化硅基片，所述微光纖的直徑約為0. 5 2um。
所述覆蓋在微光纖上的石墨烯薄膜為單層。
本發(fā)明的工作過(guò)程為輸入光信號(hào)沿著微光纖在基片和石墨烯覆蓋層之間傳播， 強(qiáng)度不變，電調(diào)制信號(hào)通過(guò)金絲電極施加到石墨烯薄膜的兩側(cè)，產(chǎn)生偏置電場(chǎng)，有節(jié)律的改變石墨烯的光導(dǎo)通率，偏置電壓為負(fù)時(shí)石墨烯表現(xiàn)為通光，偏置電壓為正時(shí)石墨烯表現(xiàn)為阻光，進(jìn)而使沿石墨烯薄膜傳道的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度隨電調(diào)制信號(hào)改變，在輸出端得到受電信號(hào)調(diào)制的光脈沖序列。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在本發(fā)明尺寸為微米級(jí)，偏置電壓低，調(diào)制效率>90%，波長(zhǎng)范圍1200nm-1600nm，調(diào)制速度可達(dá)IGHz ；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、尺寸微小、操作方便，能高效的集成在電路系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的高速電光調(diào)制；對(duì)信號(hào)光沒(méi)有偏正態(tài)要求，系統(tǒng)誤差和光損耗都很小；無(wú)晶體折射效應(yīng)，脈沖質(zhì)量好；石墨烯電光響應(yīng)靈敏，調(diào)制速度快。


圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的橫截面剖視圖；圖3是本發(fā)明的俯視圖；圖1-3中，1為二氧化硅基底，2為微光纖，3為單層石墨烯薄膜，4為金絲電極，5為光信號(hào)輸入端，6為光信號(hào)輸出端，7為單模光纖，8為紫外膠封裝； 圖4是微光纖照片；圖5是石墨烯結(jié)構(gòu)照片和石墨烯水溶液； 圖6是本發(fā)明的工作波形示意圖； (a)為調(diào)制前的電信號(hào)與光信號(hào)示意圖，(b)為調(diào)制后的光信號(hào)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
一種石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，包括基片、微光纖、石墨烯薄膜、金絲電極和紫外膠；所述微光纖先固定在基片上，再在微光纖上覆蓋石墨烯薄膜，所述兩金絲電極附貼在石墨烯薄膜的邊緣，最后用紫外膠將微光纖、石墨烯薄膜和金絲電極封裝在基片上，僅留出微光纖接頭和金絲電極接頭。實(shí)施例
結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，直徑為0. 5^2um的微光纖(2)貼附固定在10um*150um的二氧化硅基底(1)上，二氧化硅在微光纖(2)上層蓋上面積20um2單層石墨烯薄膜(3)，設(shè)置一對(duì)金絲電極(4)，使其部分與單層石墨烯薄膜(3)貼附在一起，最后，為保護(hù)整個(gè)調(diào)制器結(jié)構(gòu)，以低折射率紫外膠(8)進(jìn)行上表面涂覆封裝，僅留出光纖和電極接頭。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，調(diào)制電信號(hào)被加載到金絲電極(4)上，受調(diào)制信號(hào)影響，強(qiáng)度恒定的輸入信號(hào)在光信號(hào)輸出端(6 )變成了已調(diào)脈沖。
整個(gè)石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器的厚度約lOum。其工作過(guò)程為，輸入光信號(hào)沿著微光纖在基片和石墨烯覆蓋層之間傳播，強(qiáng)度不變，電調(diào)制信號(hào)通過(guò)金絲電極施加到石墨烯薄膜的兩側(cè)，產(chǎn)生偏置電場(chǎng)，有節(jié)律的改變石墨烯的光導(dǎo)通率，偏置電壓為-2V時(shí)石墨烯表現(xiàn)為通光，偏置電壓為3V時(shí)石墨烯表現(xiàn)為阻光，進(jìn)而使沿石墨烯薄膜傳道的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度隨電調(diào)制信號(hào)改變，在輸出端得到受電信號(hào)調(diào)制的光脈沖序列。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，包括基片、微光纖、石墨烯薄膜、金絲電極和紫外膠；所述微光纖先固定在基片上，再在微光纖上覆蓋石墨烯薄膜， 所述兩金絲電極附貼在石墨烯薄膜的邊緣，最后用紫外膠將微光纖、石墨烯薄膜和金絲電極封裝在基片上，僅留出微光纖接頭和金絲電極接頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，所述微光纖接頭通過(guò)單模光纖接入光路連接，傳播光載波信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，所述金絲電極接頭連接電調(diào)制信號(hào)，控制微光纖附近的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，所述基片為二氧化硅基片，所述微光纖的直徑約為0. 5 2um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，所述覆蓋在微光纖上的石墨烯薄膜為單層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，其特征在于，輸入光信號(hào)沿著微光纖在基片和石墨烯覆蓋層之間傳播，強(qiáng)度不變，電調(diào)制信號(hào)通過(guò)金絲電極施加到石墨烯薄膜的兩側(cè)，產(chǎn)生偏置電場(chǎng)，有節(jié)律的改變石墨烯的光導(dǎo)通率，偏置電壓為負(fù)時(shí)石墨烯表現(xiàn)為通光，偏置電壓為正時(shí)石墨烯表現(xiàn)為阻光，進(jìn)而使沿石墨烯薄膜傳道的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度隨電調(diào)制信號(hào)改變，在輸出端得到受電信號(hào)調(diào)制的光脈沖序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯-微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器，包括基片、微光纖、石墨烯薄膜、金絲電極和紫外膠；所述微光纖先固定在基片上，再在微光纖上覆蓋石墨烯薄膜，所述兩金絲電極附貼在石墨烯薄膜的邊緣，最后用紫外膠將微光纖、石墨烯薄膜和金絲電極封裝在基片上，僅留出微光纖接頭和金絲電極接頭。微光纖接頭與外界進(jìn)行光連接，傳導(dǎo)光載波信號(hào)；金絲電極-石墨烯薄膜與外界進(jìn)行電連接，接入電調(diào)制信號(hào)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、尺寸微小、操作方便，能高效的集成在電路系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的高速電光調(diào)制；對(duì)信號(hào)光沒(méi)有偏正態(tài)要求，系統(tǒng)誤差和光損耗都很小；無(wú)晶體折射效應(yīng)，脈沖質(zhì)量好；石墨烯電光響應(yīng)靈敏，調(diào)制速度快。
文檔編號(hào)G02F1/035GK102495480SQ20111040254
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者吳宇, 姚佰承, 饒?jiān)平?申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)