專利名稱：石墨烯薄膜d型光纖集成式在線電光調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信及其傳感傳輸技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)代通信的主要形式，光纖通信有著寬頻帶、低損耗、大容量、可靠性高等特點。隨著高速傳輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們對帶寬的要求也日益提高。作為光通信的一個重要組成部分，光調(diào)制也越來越受到人們的重視。光調(diào)制技術(shù)的作用是將比特信號加載到光波上，即通過連續(xù)的開關(guān)作用產(chǎn)生受調(diào)制的光脈沖。按照調(diào)制器的工作原理，光調(diào)制器可以分為電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、磁光調(diào)制器和電致吸收調(diào)制器。而電光調(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介質(zhì)的線性電光效應(yīng)，即Pockles效應(yīng)來工作的。在外加電壓的作用下，介質(zhì)的有效折射率線性變化，調(diào)制輸出光的強度，產(chǎn)生脈沖信號。其結(jié)構(gòu)一般由起偏器、電光晶體、偏置電極、檢偏器和信號放大器串聯(lián)而成，光信號通過起偏器后進入電光晶體，電光晶體在電信號的作用下按調(diào)制要求改變折射率，使光信號被調(diào)制出不同的偏振態(tài)，經(jīng)過檢偏器后呈現(xiàn)出不同的強度，從而產(chǎn)生調(diào)制脈沖序列。當前，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。隨著用戶需求的日益提高，傳統(tǒng)的電光調(diào)制器的眾多局限性，已經(jīng)成為通信科學發(fā)展不可忽視的瓶頸。首先，傳統(tǒng)電光調(diào)制器尺寸一般為幾毫米到幾十厘米，體積較大，器件與光纖系統(tǒng)之間的插入損耗較大，不便于集成化和微系統(tǒng)應(yīng)用；第二，調(diào)制晶體材料的物理化學性質(zhì)不夠穩(wěn)定，使得電光調(diào)制器易受溫度濕度以及光破壞閾值等的影響；第三，傳統(tǒng)電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓一般為幾伏到幾百伏，需要較高的閾值電壓，能耗高、產(chǎn)熱多、噪聲大；第四，由于電光晶體，折射率均勻性不夠高，吸收散射損耗較大，所以傳統(tǒng)電光調(diào)制器能量浪費嚴重；第五，不同的晶體對透射光波頻段有選擇性，通常只有幾十納米，導致傳統(tǒng)電光調(diào)制器帶寬不夠?qū)挘蟪叽?、高?qū)動電壓也使得其傳輸速率慢、有較大的響應(yīng)延遲，無法滿足高效率無畸變的傳輸要求，不利于波分復(fù)用和寬帶調(diào)制；第六，傳統(tǒng)電光調(diào)制器一般是基于偏振控制光強，對系統(tǒng)的精度有很高的要求，易受干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠高。石墨烯是一種碳原子呈六角蜂巢晶格排列的新型二維材料，也是目前世界上最薄也是最堅硬的納米材料。其厚度僅一個碳原子直徑(約IOnm);導電性強，電阻率只有約10-9 歐姆，遠小于銅、銀等金屬；對光的吸收很低，僅為2. 3%，通光性良好；化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化。石墨烯對光的吸收性質(zhì)是由其費米能級決定的。在沒有施加外電壓時，石墨烯的費米能級接近狄拉克點。此時，射入頻率為v0的光,會被石墨烯間帶中的電子吸收以改變電子能級，光被電子吸收得越多，則波導效應(yīng)越弱。當施加一個負電壓(通常小于-IV)時，導帶擴大，禁帶壓縮，費米能級降低遠離狄拉克點以下，在帶間沒有能吸收光能的束縛電子， 故而對光信號表現(xiàn)為導通。當施加一個足夠大的正電壓(通常大于3. 8V)時，費米能級升高， 高于狄拉克點，此時，禁帶比例擴大，帶間傳輸?shù)墓獗淮罅课?，表現(xiàn)為光阻。通過調(diào)節(jié)石墨烯層的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)其費米能級，進而實現(xiàn)對石墨烯表面?zhèn)鲗Ч獾耐〝嗖僮?，達到了用電信號調(diào)制光信號的目的?，F(xiàn)代光網(wǎng)絡(luò)中使用的許多串聯(lián)設(shè)備都有與單模光纖對接的問題，結(jié)果導致插入損耗增加、功率反射以及設(shè)備完整性較差等問題。其解決方法之一就是使用單面拋光的單模光纖。D型光纖，是通過對單模光纖的一段進行單面拋光過后形成的新結(jié)構(gòu)光纖，由于其橫截面形狀類似字母“D”，故稱為D型光纖。當光在纖芯中傳輸時，由于導光部分接近于拋光面，一部分光會以倏逝波的形式在拋光面上傳播，因此D型光纖可以構(gòu)成各種表面光倏逝波的傳感器件以及各種集成式光光控制和通信器件等。相比與傳統(tǒng)的晶體集成電光調(diào)制器件，基于石墨烯薄膜-D型光纖結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制方式具有明顯優(yōu)勢。首先，體積較小，用于電光調(diào)制的石墨烯薄膜厚度約幾個nm，即使附加電極、基底等裝置，其體積也遠遠小于傳統(tǒng)集成電光調(diào)制器約IOmm-IOOmm的尺寸；其次, 損耗極低，石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器中，光從普通單模光纖輸入后，沿D型光纖和石墨烯薄膜表面?zhèn)鞑?，并與之以倏逝波的形式相作用，而后由單模光纖輸出光信號，所以不存在器件接入等問題，路徑短，模式耦合簡單；第三，能耗很小，相比于傳統(tǒng)集成的電光調(diào)制器，石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式中，電信號僅提供偏置電壓，不存在電流環(huán)路，理論上不產(chǎn)生電熱，同時原子級的能級調(diào)制的驅(qū)動電壓也相對較低；第四，速度更快，帶寬更大，相比傳統(tǒng)的電光調(diào)制器，石墨烯薄膜-D型光纖結(jié)構(gòu)電光調(diào)制系統(tǒng)的帶寬不受晶體性質(zhì)和摻雜光纖的選頻限制，可以實現(xiàn)可見光到遠紅外的廣域調(diào)制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)電光調(diào)制器體積大、能耗高、調(diào)制帶寬窄、插入損耗大、易受干擾等缺陷，提供了一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器，其尺寸較小，偏置電壓約-5V，調(diào)制效率>90%，波長范圍約1000nm-1700nm，調(diào)制速度可達50GHz以上。該調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單、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，實現(xiàn)芯片級的高速電光調(diào)制。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用以下技術(shù)方案
一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器，其特征在于包括二氧化硅基片
(6)、設(shè)置在二氧化硅基片(6)凹槽內(nèi)的D型光纖(1)，涂覆在D型光纖拋光面(11)上的石墨烯薄膜(2)、兩個相對設(shè)置在石墨烯薄膜(2)兩側(cè)的金屬電極(3)，所述金屬電極其中一個與石墨烯薄膜層(2)邊緣貼附，另一個與二氧化硅基片(6)相接，在二氧化硅基片(6)與 D型光纖(I)形成的面上設(shè)置有用于封裝的封裝膠。進一步的說，所述金屬電極(3)兩端施加有對石墨烯薄膜(2)的光透過率進行控制的偏置電壓。進一步的說，所述封裝膠為低折射率紫外膠(4)。本發(fā)明具有以下有益效果
一、本發(fā)明由于采用了石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)電光調(diào)制器，其尺寸和功耗微小、成本低，對信號光沒有偏正態(tài)要求，系統(tǒng)誤差和光插入損耗都很?。粺o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(理論可達500GB/S)。二、本發(fā)明由于采用了石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)，其器件尺寸微小，在微米數(shù)量級，用于電光調(diào)制的石墨烯薄膜厚度約幾個nm，即使附加電極、基底等裝置，其體積也遠遠小于傳統(tǒng)集成電光調(diào)制器約IOmm-IOOmm的尺寸。三、本發(fā)明能耗很小，相比于傳統(tǒng)集成的電光調(diào)制器，石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)的調(diào)制方式中，電信號僅提供偏置電壓，不存在電流環(huán)路，理論上不產(chǎn)生電熱，同時原子級的能級調(diào)制的驅(qū)動電壓也相對較低；
四、本發(fā)明速度更快，帶寬更大，相比傳統(tǒng)的電光調(diào)制器，石墨烯薄膜-D型光纖結(jié)構(gòu)電光調(diào)制系統(tǒng)的帶寬不受晶體性質(zhì)和摻雜光纖的選頻限制，可以實現(xiàn)可見光到遠紅外的廣域調(diào)制。五、本發(fā)明損耗極低，石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器中，光從普通單模光纖輸入后，沿D型光纖和石墨烯薄膜表面?zhèn)鞑?，并與之以倏逝波的形式相作用，而后由單模光纖輸出光信號，所以不存在器件接入等問題，路徑短，模式耦合簡單；
六、本發(fā)明由于采用了石墨烯-D型光纖結(jié)構(gòu)，其極快的調(diào)制速率高達在IOGHz以上，較寬的光譜帶寬，在1000nm-1700nm之間。


圖I是D型光纖結(jié)構(gòu)示意圖2是石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器的三維結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器的橫截面剖視圖。圖5a和圖5b為本發(fā)明石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器的工作波形示意圖5a為調(diào)制前的電信號與光信號示意圖5b為調(diào)制后的光信號不意圖中I-D型光纖、11- D型光纖拋光面(表面)、12-光纖纖芯、13-D型光纖包層、2-石墨烯薄膜、3-金電極、4-低折射率紫外膠、5-光纖輸入輸出端、6- 二氧化娃基片。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步描述。如圖3所示，將直徑約125um的D型光纖(I)固定在約150um*300um的二氧化硅基片(6)的凹槽內(nèi)，在D型光纖(I)上涂覆一層面積約25000um2單層石墨烯薄膜(2)，相對設(shè)置一對金電極(3)并使其一與單層石墨烯薄膜(2)貼附在一起，另一個置于二氧化硅基片(6)上，為保護整個調(diào)制器結(jié)構(gòu)，以低折射率紫外膠(4)進行上表面涂覆封裝。在實際操作中，利用石墨烯材料的光傳導率受外加電壓控制的特性，通過石墨烯薄膜(2)兩側(cè)的金電極(3)施加偏置電壓，對石墨烯薄膜(2)的光透過率進行控制，從而影響D型光纖(I)附近光的倏逝場傳播，改變傳輸光的強度，在普通單模光纖(5)輸出端形成已調(diào)脈沖,達到電光調(diào)制的目的。器件尺寸微小，在微米數(shù)量級，驅(qū)動電壓低，僅為伏特數(shù)量級。極快的調(diào)制速率高達在IOGHz以上，較寬的光譜帶寬，在1000nm-1700nm之間。圖4是該結(jié)構(gòu)的橫截面剖視圖。D型光纖是由普通單模光纖研磨得到的。將單模光纖的一段采用四步法除去包層以保證D型區(qū)光滑無破損，減小了研磨拋光面的光散射。在研磨拋光的同時通過光纖纖芯與拋光面的距離來控制插入損耗，因此從拋光面溢出的光能量同樣受到控制。由于研磨拋光的影響，傳導光感受到的有效折射率減小，最終導致D型區(qū)的模式展寬。當在模場區(qū)域噴涂非線性材料-石墨烯分散液后，光可以在不影響傳輸?shù)那闆r下倏逝耦合入鍍在拋光面的石墨烯層，這樣可以提高有效作用面積高達幾個數(shù)量級。耦合入石墨烯層的光的多少取決于很多因素，包括研磨拋光深度、薄膜厚度和密度和薄膜本身的性質(zhì)等。最后在石墨烯層表面加上一層紫外膠保護層。傳導光與石墨烯材料的作用距離較長，從而保證了足夠的非線性效應(yīng)。全光纖結(jié)構(gòu)一個較低的石墨烯濃度閾值即可以實現(xiàn)光調(diào)制。本發(fā)明為“D型光纖-石墨烯薄膜-驅(qū)動電極-表面封裝”結(jié)構(gòu)。在二氧化硅基片的凹槽內(nèi)固定一根直徑約125um的D型光纖，在D型光纖上覆蓋單層石墨烯薄膜，基片左右兩側(cè)相對地引出尺寸約200um的金電極，左邊電極與石墨烯層相接觸，右邊電極與二氧化硅基片相接。最后將在調(diào)制器上表面用低折射率的紫外膠封裝。整個調(diào)制器的厚度約 IOum0其工作過程為，輸入光信號由普通單模光纖輸入后，在D型光纖區(qū)域由于倏逝場的影響，與涂覆于D型光纖表面的石墨烯薄膜相作用。電調(diào)制信號通過金電極施加到石墨烯薄膜的兩側(cè)，產(chǎn)生偏置電場，有節(jié)律的改變石墨烯的光導通率，偏置電壓為約-2V時石墨烯表現(xiàn)為通光，偏置電壓為約3V時石墨烯表現(xiàn)為阻光，進而使沿石墨烯薄膜傳導的倏逝場強度隨電調(diào)制信號改變，在普通單模光纖的光輸出端得到受電信號調(diào)制的光脈沖序列。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器，其特征在于包括二氧化硅基片 (6)、設(shè)置在二氧化硅基片(6)凹槽內(nèi)的D型光纖(I)、涂覆在D型光纖拋光面(11)上的石墨烯薄膜(2)、兩個相對設(shè)置在石墨烯薄膜(2)兩側(cè)的金屬電極(3)，所述金屬電極其中一個與石墨烯薄膜層(2 )邊緣貼附，另一個與二氧化硅基片(6 )相接，在二氧化硅基片(6 )與 D型光纖(I)形成的面上設(shè)置有用于封裝的封裝膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器，其特征在于所述金屬電極(3)兩端施加有對石墨烯薄膜(2)的光透過率進行控制的偏置電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器，其特征在于所述封裝膠為低折射率紫外膠(4)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光通信及其傳感傳輸技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調(diào)制器。其主旨在克服傳統(tǒng)電光調(diào)制器體積大、能耗高、調(diào)制帶寬窄、插入損耗大、易受干擾等缺陷。該電光調(diào)制器包括二氧化硅基片、設(shè)置在二氧化硅基片凹槽內(nèi)的D型光纖，涂覆在D型光纖拋光面上的石墨烯薄膜、兩個相對設(shè)置在石墨烯薄膜兩側(cè)的金電極，所述金屬電極其中一個與石墨烯薄膜層邊緣貼附，另一個與二氧化硅基片相接，在二氧化硅基片與D型光纖形成的面上設(shè)置有用于封裝的封裝膠。本發(fā)明其尺寸和功耗微小、成本低，對信號光沒有偏正態(tài)要求，系統(tǒng)誤差和光插入損耗都很小。無晶體折射效應(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G02F1/035GK102591041SQ20121006702
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者吳宇, 易瑋琪, 饒云江 申請人:電子科技大學