本發(fā)明涉及通信用光纖器件領(lǐng)域，具體說是一種超高速信號發(fā)生器。尤指基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器。

背景技術(shù)：

目前,超高速信號的產(chǎn)生主要依賴于光時分技術(shù)(OTDM)。OTDM采用延時技術(shù)將低速的光信號進行延時后復用而形成超高速光信號,可以實現(xiàn)單信道內(nèi)的超高速通信,是支撐現(xiàn)代通信干線網(wǎng)主體的主要技術(shù)。現(xiàn)有的光時分技術(shù)都要依賴于超短脈沖光源，光脈沖的寬度和重復頻率決定了系統(tǒng)最大復用速率。連續(xù)光源加級聯(lián)電吸收調(diào)制器得到的脈沖寬度大約3ps,對于速度在100Gb/s以上通信系統(tǒng)過寬；鎖模光纖激光器采用諧波鎖模時穩(wěn)定性差，采用閉環(huán)誤差信號反饋控制腔長的方法,可以實現(xiàn)鎖模光纖激光器的長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn),但器件結(jié)構(gòu)復雜；多量子阱混合鎖模半導體激光器芯片成品率極低、需要昂貴的半導體加工設(shè)備、器件壽命不如前兩種光源且目前價格過高。

為了提供足夠時延，現(xiàn)有的OTDM復用器的每個臂上采用長光纖,消除干涉現(xiàn)象造成的時延擾動,但是環(huán)境溫度變化會改變延時特性，該種設(shè)計不具有長期的穩(wěn)定性。而全偏振型光時分復用器價格昂貴,結(jié)構(gòu)復雜,需要配備可變時延線、可變衰減器和偏振控制器等裝置。另外，這種分臂結(jié)構(gòu)的延時器對于制作有很高的精度要求，不易實現(xiàn)，而且對外界環(huán)境擾動也敏感。

基于以上考慮，采用基于連續(xù)光源加更快響應(yīng)時間的級聯(lián)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)是簡易廉價產(chǎn)生高穩(wěn)定超高速信號的更佳手段。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碳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程等)?；谶@些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導電薄膜已經(jīng)被實驗演示或商品化。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)制器無法比擬的優(yōu)勢，同時還兼顧了集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的考慮。

自2011年加州大學伯克利分校的劉明等人首次實現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制以來，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計算和實驗被報道，是目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。繼劉明等人提出條形結(jié)構(gòu)石墨烯電光調(diào)制器后，Grigorenko A N和新加坡國立大學的團隊于2012年分別提出了馬赫增德結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的石墨烯電光調(diào)制器，構(gòu)成了目前三種主要的電光石墨烯調(diào)制結(jié)構(gòu)。條形波導依靠電調(diào)吸收實現(xiàn)調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單，兼容CMOS工藝，但插入損耗和器件能耗大，需要克服電極部分的材料電阻的問題。馬赫增德結(jié)構(gòu)依靠Pockets效應(yīng)電壓調(diào)節(jié)材料的折射率，雙臂干涉調(diào)整輸出光功率，光學帶寬大，溫度容差高。環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)電調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)諧振效果，具有較大的消光比和較小的器件尺寸。這些結(jié)構(gòu)都使用電壓調(diào)控石墨烯的費米能級改變對光的吸收特性實現(xiàn)光調(diào)制，在調(diào)制速率(仿真計算)、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬、面積效率和功耗等方面都展示了非常優(yōu)良的性能。但它們的寄生電容使電子回路相當于一個RC低通濾波器(3dB電信號截止頻率f＝1/2πRC，電子瓶頸)，使實驗中最高的調(diào)制速率無法突破1GHz量級，遠低于仿真計算的結(jié)果(幾十到幾百GHz)。

將光纖作為波導結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合又會使調(diào)制器借助光纖的優(yōu)點：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)計出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器。

該基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器是將石墨烯柵結(jié)構(gòu)圖樣層覆蓋于平板基底上，微細光纖放置石墨烯柵結(jié)構(gòu)圖樣層上作為基本波導。石墨烯柵結(jié)構(gòu)圖樣層(簡稱石墨烯柵結(jié)構(gòu)層)受電信號調(diào)節(jié)改變自身費米能級，控制對微細光纖中載波(倏逝場效果)在空間位置上進行周期性的吸收。石墨烯柵結(jié)構(gòu)層和石墨烯材料的超短載流子弛豫時間特性將載波處理成極高空間密度的脈沖序列，從而產(chǎn)生超高速的信號。

相比于已有的光復用系統(tǒng)，該基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器中的石墨烯柵結(jié)構(gòu)層通過激光刻寫的辦法可以實現(xiàn)簡易的制作，可以簡單精確地控制相鄰脈沖間的間隔。同時，該石墨烯柵結(jié)構(gòu)層對使用環(huán)境也不敏感。基于石墨烯的超快載流子響應(yīng)時間，該信號發(fā)生器可以產(chǎn)生360Gb/s以上的超高速信號。相比于已有的單點位置信號發(fā)生器，隨著石墨烯柵結(jié)構(gòu)層的增長，所加電壓的變化速度可以無限減小，實現(xiàn)從極低速電信號到超高速光信號的轉(zhuǎn)化。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器，包括：微細光纖1、石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2、正電極3、負電極4、和平板基底5；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2包括至少兩個相互平行的石墨烯條帶21；石墨烯條帶21的數(shù)量決定了控制電壓信號的加載速度，

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2設(shè)于平板基底5之上，

微細光纖1設(shè)于石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2上，

正電極3與各石墨烯條帶21的一端連接，

負電極4與各石墨烯條帶21的另一端連接。通過改變正電極3和負電極4之間的電壓進行電調(diào)制。

在上述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器中，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2的厚度小于3.35nm。石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2的厚度影響調(diào)制深度，即對光載波的吸收能力。

在上述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器中，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5之上。

在上述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器中，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中石墨烯條帶21按照相同的空間周期重復排列，相鄰兩個石墨烯條帶21中心間距大于1.2mm；該參數(shù)影響調(diào)制速度。

在上述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器中，微細光纖1的直徑為1—20微米。微細光纖1的直徑影響調(diào)制深度和插入損耗。

一種超高速光信號的產(chǎn)生方法，包括如下步驟：使用上述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器，通過調(diào)節(jié)正電極3與負電極4的電壓差產(chǎn)生電信號，改變石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2對載波的吸收特性，產(chǎn)生超高速光信號。

在上述超高速光信號的產(chǎn)生方法中，通過改變一個時間周期內(nèi)無電壓的時間長度可以控制脈沖寬度。

本發(fā)明所述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器的工作原理如下：

微細光纖具有強烈的倏逝場，將載波擴散到石墨烯柵結(jié)構(gòu)層中與其相互作用。通過調(diào)節(jié)加載在石墨烯柵結(jié)構(gòu)層上的電壓可以調(diào)節(jié)石墨烯柵結(jié)構(gòu)層的費米能級，進而改變石墨烯柵結(jié)構(gòu)層中帶隙的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對吸收和不吸收的切換(吸收位置為0信號，不吸收位置為1信號)，借以石墨烯載流子超短的弛豫時間，這種切換可以實現(xiàn)超快的效果。柵結(jié)構(gòu)的石墨烯(即石墨烯柵結(jié)構(gòu)層)可以在空間上對載波進行周期性的吸收，細密的柵結(jié)構(gòu)和超快的響應(yīng)時間使得這種周期性的吸收在空間上可以非常細密，從而產(chǎn)生極高重復頻率的脈沖信號，即超高速信號。隨著石墨烯柵結(jié)構(gòu)層長度的增加，電信號的變化速度可以降得很低，從而實現(xiàn)基于低速電壓的超高速光信號。同時，通過改變一個時間周期內(nèi)無電壓的時間長度可以控制脈沖寬度。

本發(fā)明所述基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器的有益效果如下：

(1)用空間調(diào)制的方式，以很低的電信號變化速度產(chǎn)生了超高

速的光信號。

(2)石墨烯柵結(jié)構(gòu)層通過激光刻寫的方法易于精細制作，可以精確控制相鄰脈沖間的間距。

(3)該發(fā)生器對使用環(huán)境不敏感。

(4)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時間、超寬波長調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢。

(5)微細光纖作為基本波導，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。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1為基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例1中的電壓變化情況。

圖3為實施例2中的電壓變化情況。

圖4為實施例1中產(chǎn)生的超高速光信號，其中，相對光強為輸出光強與輸入光強的比值。

圖5為實施例2中產(chǎn)生的超高速光信號。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1、基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器

基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器，如圖1示，包括：微細光纖1、石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2、正電極3、負電極4、和平板基底5；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2由寬度、厚度和長度相同的石墨烯條帶21組成，且石墨烯條帶之間相互平行、石墨烯條帶21之間的間隙(帶隙)也相同；石墨烯條帶21的數(shù)量為12；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5之上，微細光纖1設(shè)于石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2上，微細光纖1的兩端位于石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2之外。正電極3連接石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中各石墨烯條帶21的一端，負電極4連接石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中各石墨烯條帶21的另一端，通過改變正電極3和負電極4之間的電壓進行電調(diào)制。。

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2的厚度為0.335nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中相鄰兩個石墨烯條帶21中心間距的為2mm。微細光纖1的直徑為1μm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖2調(diào)節(jié)正電極3與負電極4的電壓差產(chǎn)生電信號，得到如圖4所示的超高速光信號，電壓變化速度為30Ghz,一個時間周期內(nèi)無電壓時間為3ps，產(chǎn)生的光信號速度為360Gb/s，脈沖寬度為3ps。

實施例2、基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器

基于柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細光纖的超高速電光信號發(fā)生器，如圖1示，包括：微細光纖1、石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2、正電極3、負電極4、和平板基底5；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2由寬度、厚度和長度相同的石墨烯條帶21組成，且石墨烯條帶之間相互平行、石墨烯條帶21之間的間隙(帶隙)也相同；石墨烯條帶21的數(shù)量為12；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5之上，微細光纖1設(shè)于石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2上，微細光纖1的兩端位于石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2之外。正電極3連接石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中各石墨烯條帶21的一端，負電極4連接石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中各石墨烯條帶21的另一端，通過改變正電極3和負電極4之間的電壓進行電調(diào)制。

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2的厚度為0.335nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層2中相鄰兩個石墨烯條帶21中心間距為2mm。微細光纖1的直徑為1μm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖3調(diào)節(jié)正電極3與負電極4的電壓差產(chǎn)生電信號，得到如圖5所示的超高速光信號，電壓變化速度為30Ghz，一個時間周期內(nèi)無電壓時間為1.5ps，產(chǎn)生的光信號速度為360Gb/s，脈沖寬度為1.5ps。

本說明書中未作詳細描述的內(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)。