本發(fā)明屬于通信用光纖器件領(lǐng)域，特別涉及基于石墨烯微細(xì)光纖的光空間超快調(diào)制器。

背景技術(shù)：

光調(diào)制器是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，光調(diào)制器對(duì)載波操作，將調(diào)制信號(hào)摻入載波的幅度、相位或偏振，實(shí)現(xiàn)信號(hào)加載。目前主要的光調(diào)制分為全光調(diào)制和電光調(diào)制。使用電信號(hào)加載信息最主要的問(wèn)題是電子瓶頸會(huì)限制調(diào)制速度，目前最快的電光調(diào)制速度也只在百Ghz左右，調(diào)制速度超過(guò)Ghz量級(jí)的電光調(diào)制器制作難度大，價(jià)格昂貴。全光調(diào)制可以在光纖或者其他光波導(dǎo)中進(jìn)行，可以在簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)超快、低損耗和寬帶的信號(hào)加載。

石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道組成正六邊形呈蜂窩狀晶格的二位氮原子層平面晶體薄膜，狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使其具有各種奇特和突出的光電性能(飽和吸收和超快載流子躍遷和弛豫過(guò)程等)?；谶@些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測(cè)器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導(dǎo)電薄膜已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調(diào)制器在調(diào)制速度方面展現(xiàn)了其他材料調(diào)制器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也兼顧集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的因素。自2011年加州大學(xué)伯克利分校的張翔等人首次實(shí)現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制以來(lái)，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)被報(bào)道，成為了目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。但這些調(diào)制器的寄生電容使電子回路相當(dāng)于一個(gè)RC低通濾波器(3dB電信號(hào)截止頻率f＝1/2πRC)，使實(shí)驗(yàn)中最高的調(diào)制速率無(wú)法突破幾十Ghz量級(jí)，遠(yuǎn)低于仿真計(jì)算的結(jié)果(幾百Ghz)。

基于石墨烯飽和吸收的全光調(diào)制繞開(kāi)了電子瓶頸，可以實(shí)現(xiàn)超快的調(diào)制速率(實(shí)驗(yàn)演示200Ghz，理論分析500Ghz)。經(jīng)過(guò)石墨烯的高頻高功率泵浦光可以控制石墨烯對(duì)經(jīng)過(guò)其的低頻信號(hào)光的吸收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的全光幅度調(diào)制，同時(shí)石墨烯超快的載流子弛豫速度使得這種調(diào)制的速度可以非?？?幾百fs到幾ps)。超寬波長(zhǎng)調(diào)制范圍，大調(diào)制深度，低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。將光纖作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合又會(huì)使調(diào)制器具有光纖的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制器與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，具有極低的輸入輸出耦合損耗；光可以在光纖中以基模傳輸，具有極低的傳輸損耗；光纖結(jié)構(gòu)理論成熟、性能清晰、種類多樣，利于與石墨烯結(jié)合設(shè)計(jì)出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器，浙江大學(xué)的李威于2014年在實(shí)驗(yàn)室演示了第一款基于石墨烯光纖的全光調(diào)制器。

需要注意的是，已有的調(diào)制器都是采用空間上單點(diǎn)調(diào)制的方式，這樣產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)的速度等于調(diào)制信號(hào)速度，當(dāng)需要在載波中加載超高頻率的信號(hào)時(shí)就需要超高速的調(diào)制信號(hào)，而產(chǎn)生超快電信號(hào)的高速電路與產(chǎn)生超高重復(fù)頻率光脈沖序列的光系統(tǒng)都是難于制作的，也是昂貴的。光時(shí)分復(fù)用是一種產(chǎn)生高速信號(hào)的有效辦法，但是光時(shí)分復(fù)用器對(duì)制作精度要求很高，而且對(duì)溫度敏感，同時(shí)其本身需要很窄的脈沖光作為光源。將高重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)，在光波導(dǎo)的不同位置同時(shí)加載，對(duì)載波的不同空間部分進(jìn)行同時(shí)調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調(diào)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出了基于石墨烯微細(xì)光纖的光空間超快調(diào)制器，目的在于實(shí)現(xiàn)全光域內(nèi)信息的靈活加載和超快加載。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種基于石墨烯微細(xì)光纖的光空間超快調(diào)制器，包括：平板基底1、石墨烯層2、微細(xì)光纖3和泵浦光源4；所述石墨烯層2設(shè)置于平板基底1上，所述微細(xì)光纖3以盤(pán)繞形式設(shè)置于石墨烯層2上，所述泵浦光源4設(shè)置于所述微細(xì)光纖3的上方；

所述泵浦光源4產(chǎn)生的包含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光照射在石墨烯層2上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯層2的層數(shù)小于10層。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖3的直徑為1～20微米，微細(xì)光纖3的盤(pán)繞彎曲半徑的相應(yīng)取值避免彎曲損耗。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源4產(chǎn)生的含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光可以調(diào)節(jié)。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源4產(chǎn)生的空間泵浦光的空間分辨率在百微米量級(jí)。

該光空間超快調(diào)制器經(jīng)過(guò)上述設(shè)置，通過(guò)以較低頻率改變空間泵浦光的形狀，可以將任意的調(diào)制信號(hào)加載到載波上。

本發(fā)明的有益效果：

(1)空間泵浦光的信息形式和空間調(diào)制的信息加載方式相組合，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)調(diào)制方式，使大量信息可以在同一時(shí)刻加載，降低了實(shí)際加載控制的速率，解決了單點(diǎn)調(diào)制時(shí)超快信號(hào)源難以獲得的問(wèn)題(如電光調(diào)制中的電子瓶頸)。

(2)加載的信號(hào)是以空間泵浦光的形式存在的，通過(guò)調(diào)整空間泵浦光的形狀可以一次實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)信息加載點(diǎn)的調(diào)制，非常方便靈活。

(3)調(diào)制器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)易于制作，可以精確控制各個(gè)低速調(diào)制點(diǎn)信號(hào)的組合。

(4)該調(diào)制器對(duì)使用環(huán)境不敏感。

(5)全光調(diào)制，無(wú)需復(fù)雜的電極設(shè)計(jì)和制作，同時(shí)繞開(kāi)了電子瓶頸對(duì)調(diào)制速度的限制。

(6)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時(shí)間、超寬波長(zhǎng)調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢(shì)。

(7)微細(xì)光纖作為基本波導(dǎo)，與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，具有極低的輸入輸出耦合損耗；載波在光纖中以基模傳輸，具有極低的傳輸損耗。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1基于石墨烯微細(xì)光纖的光空間超快調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2平板基底的平面區(qū)域劃分圖。

圖3實(shí)例一中的空間泵浦光在石墨烯層上的投射分布圖。

圖4實(shí)例二中的空間泵浦光在石墨烯層上的投射分布圖。

圖5實(shí)例一中的空間泵浦光與滿光狀態(tài)隨時(shí)間切換示意圖。

圖6實(shí)例一中的超快調(diào)制效果圖。

圖7實(shí)例二中空間泵浦光與滿光狀態(tài)隨時(shí)間切換示意圖。

圖8實(shí)例二中的超快調(diào)制效果圖。

圖中：1、平板基底；2、石墨烯層；3、微細(xì)光纖；4、泵浦光源。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于石墨烯微細(xì)光纖的光空間超快調(diào)制器，包括：平板基底1、石墨烯層2、微細(xì)光纖3和泵浦光源4；所述石墨烯層2設(shè)置于平板基底1上，所述微細(xì)光纖3以盤(pán)繞形式設(shè)置于石墨烯層2上，所述泵浦光源4設(shè)置于所述微細(xì)光纖3的上方；

所述泵浦光源4產(chǎn)生的包含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光照射在石墨烯層2上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯層2的層數(shù)小于10層。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖3的直徑為1～20微米，微細(xì)光纖3的盤(pán)繞彎曲半徑的相應(yīng)取值避免彎曲損耗。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源4產(chǎn)生的含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光可以調(diào)節(jié)。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源4產(chǎn)生的空間泵浦光的空間分辨率在百微米量級(jí)。

本發(fā)明基本原理：微細(xì)光纖具有強(qiáng)烈的倏逝場(chǎng)，將載波擴(kuò)散到石墨烯層中接受調(diào)制。空間泵浦光照射在石墨烯層上，利用石墨烯飽和吸收特性調(diào)整石墨烯對(duì)載波的吸收。調(diào)制信號(hào)以變化的空間泵浦光的形式存在，通過(guò)改變空間泵浦光可以簡(jiǎn)單靈活地控制所要加載的信息?？臻g泵浦光使石墨烯的吸收特性在沿微細(xì)光纖軸向形成相同圖樣的分布，對(duì)載波進(jìn)行可調(diào)的多位置吸收(吸收位置為0信號(hào)，不吸收位置為1信號(hào))。石墨烯超短的載流子弛豫時(shí)間使單個(gè)吸收位置的空間寬度可以很窄同時(shí)不犧牲調(diào)制深度，因此細(xì)密的空間泵浦光可以產(chǎn)生超高密度的已調(diào)信號(hào)，也減小了器件的整體尺寸。大尺寸的空間泵浦光可以同一時(shí)間點(diǎn)加載大量信息來(lái)降低所需的空間泵浦光的變化速度，從而以很低的調(diào)制速度實(shí)現(xiàn)超高密度的信號(hào)調(diào)制，達(dá)到超快調(diào)制的效果。

實(shí)施例一

該調(diào)制器包括平板基底1、石墨烯層2、微細(xì)光纖3和泵浦光源4，如圖1所示。組合方式為：石墨烯層2設(shè)置于平板基底1上，微細(xì)光纖3以盤(pán)繞形式設(shè)置于石墨烯層2上，泵浦光源4設(shè)置于所述微細(xì)光纖3的上方，泵浦光源4產(chǎn)生的包含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光照射在石墨烯層2上。微細(xì)光纖3的直徑為8μm，微細(xì)光纖3的盤(pán)繞彎曲半徑為50um,將平板基底1的平面按照?qǐng)D2所示進(jìn)行區(qū)域劃分，圖2中每一個(gè)小方塊即為一個(gè)單元，其中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相連接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。使每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的微細(xì)光纖3的部分長(zhǎng)度均為600μm，整個(gè)平板基底1的尺寸為7mm×1mm。所用石墨烯層2的層數(shù)為1。載波從微細(xì)光纖3的一端通入，在另一端檢測(cè)輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)。將調(diào)制信號(hào)[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]以空間泵浦光的形式表現(xiàn)，將空間泵浦光投射在平板基底1的表面上，空間泵浦光以圖2中所示的劃分的小區(qū)域?yàn)閱卧?，使平板基?表面產(chǎn)生如圖3所示的明暗分布，圖3中的黑格為無(wú)泵浦光位置，白格為泵浦光照射位置。將空間泵浦光與滿光(平板基底1的表面全部被泵浦光照亮)周期性切換：2ps的空間泵浦光與140ps的滿光交替出現(xiàn)(如圖5所示)，可知控制頻率為7Ghz。微細(xì)光纖3的輸出端可得到與調(diào)制信號(hào)[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]對(duì)應(yīng)的已調(diào)信號(hào)的時(shí)間波形，如圖6所示，重復(fù)頻率為250Ghz，即調(diào)制頻率。

實(shí)施例二：

該調(diào)制器包括平板基底1、石墨烯層2、微細(xì)光纖3和泵浦光源4，如圖1所示。組合方式為：石墨烯層2設(shè)置于平板基底1上，微細(xì)光纖3以盤(pán)繞形式設(shè)置于石墨烯層2上，泵浦光源4設(shè)置于所述微細(xì)光纖3的上方，泵浦光源4產(chǎn)生的包含有調(diào)制信號(hào)的空間泵浦光照射在石墨烯層2上。微細(xì)光纖3的直徑為1μm，微細(xì)光纖3的盤(pán)繞彎曲半徑為10um,將平板基底1的平面按照?qǐng)D2所示進(jìn)行區(qū)域劃分，圖2中每一個(gè)小方塊即為一個(gè)單元，其中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相連接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。使每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的微細(xì)光纖3的部分長(zhǎng)度均為120μm，整個(gè)平板基底1的尺寸為1.4mm×0.2mm。所用石墨烯層2的層數(shù)為5。載波從微細(xì)光纖3的一端通入，在另一端檢測(cè)輸出經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)。將調(diào)制信號(hào)[0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1……0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1]以空間泵浦光的形式表現(xiàn)，將空間泵浦光投射在平板基底1的表面上，空間泵浦光以圖2中所示的劃分的小區(qū)域?yàn)閱卧?，使平板基?的表面產(chǎn)生如圖4所示的明暗分布，圖4中黑格為無(wú)泵浦光位置，白格為泵浦光照射位置。將空間泵浦光與滿光(平板基底1的表面全部被泵浦光照亮)周期性切換：0.4ps的空間泵浦光與28ps的滿光交替出現(xiàn)(如圖7所示)，可知控制頻率為35Ghz。微細(xì)光纖3的輸出端可得到與調(diào)制信號(hào)[0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1……0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1]對(duì)應(yīng)的已調(diào)信號(hào)的時(shí)間波形，如圖8所示，重復(fù)頻率為1250Ghz，即調(diào)制頻率。

本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。