CN102495479A - 一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关 - Google Patents

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易玮琪
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本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，包括拉锥的光输出微纳光纤、拉锥的光输入微纳光纤和基于石墨烯薄膜的电路控制模块；所述基于石墨烯薄膜的电路控制模块以涂覆有石墨烯薄膜的硅基底为中心，硅基底边缘置有金属电极；所述拉锥的光输入微纳光纤和光输出微纳光纤相对地置于石墨烯硅基底上，两微纳光纤的端头因范德瓦尔兹力吸附在一起，作为光路的耦合端；并在微纳光纤上涂覆低折射率紫外胶。本发明以石墨烯自身的性质为基础，结合微纳光纤倏逝场传播特性，使这种新型光纤光开关具有尺寸小，响应时间短，驱动电压低，可靠性增加的特点。

Description

一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关。
背景技术
随着信息化时代的发展，人们对信息的容量和传播速度提出了新的要求，而传统的电信号处理速度已经遇到了瓶颈，如何可靠地对高速数据进行处理，已经成为研究人员面临的一大挑战。可以提供巨大带宽并且能高速处理数据的全光网络或许可以成为人们的救星。全光网络中有两个重要部件，即光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM），而光开关作为光交叉连接器（OXC）的核心部件，具有重要的研究意义。
最早研究的固体光开关比如电光开关、热光开关、声光开关已成功的实现工业化，成为产品在市场上销售。其原理基本一致，即在外加场（电场、热量场、声波等）的作用下，介质的折射率发生变化，从而控制光的通断。这类光开关速度较快，寿命较长，但是其制造工艺较复杂，难以组成阵列在光纤网络中应用。作为机械光开关的新秀，集成化的微电机系统（MEMS）光开关是现在大容量交换光网络开关的主流研究方向。目前MEMS光开关的设计思路有两种，一种是固定入射出射光纤，通过微加工技术，在硅片上制作可转动的微米尺寸的微镜片来完成光路的切换从而构成开关阵列；另一种是由微机械结构带动一根光纤末端，连接或者远离另一根光纤的末端，达到对光开关的控制。这种光开关的特点是不受偏振和波长的影响，适用于多路阵列，但是开关时间较长，且由于开关结构中有转动的部分，重复性、稳定性较差，开关寿命有限。非线性干涉仪全光开关也是近年引起研究人员极大兴趣的新型光开关，其是利用被传导的光与波导材料的非线性相互作用实现光开关，例如空间型非线性干涉仪全光开关即是由于光克尔效应或双光子吸收效应，引起非线性光波导的折射率发生变化，从而使在波导中传播的两束光之间产生相位差，最终导致相长相消干涉，达到开关目的。由于这种光开关波导的截面积较小，光在其中传播时的光功率密度较高，且光与波导的非线性作用距离很长，所以可以在较低功率下实现光开关。除了改进传统的光开关，尝试使用新技术以减小尺寸提高性能以外，光开关的研究也采用了许多新材料、新的机理。随着光子晶体结构的最终被证实，以光子晶体为代表的纳米光子学全光开关登上了历史的舞台，在光子晶体中引入线缺陷，原来在光子晶体中被禁止传播的光则可在线缺陷中传播，这就形成了光子晶体光波导。这种新型波导的尺寸可以小到波长数量级，集成密度大大提高，且光在光子晶体中可以无损耗的传播。但是这种光开关制作工艺较为复杂，成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，可以有效降低驱动电压，减少开关响应时间，提高开关的重复性以及稳定性，减小开关尺寸，易于集成化。
为了解决上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，其特征在于：包括拉锥的光输出微纳光纤、拉锥的光输入微纳光纤和基于石墨烯薄膜的电路控制模块；所述基于石墨烯薄膜的电路控制模块以涂覆有石墨烯薄膜的硅基底为中心，硅基底边缘置有金属电极；所述拉锥的光输入微纳光纤和光输出微纳光纤相对地置于石墨烯硅基底上，两微纳光纤的端头因范德瓦尔兹力吸附在一起，作为光路的耦合端；并在微纳光纤上涂覆低折射率紫外胶。
在本发明中，金属电极接外电源，通过不同的外加电压改变石墨烯薄膜的透射率，以光在微纳光纤中的倏逝场传播原理为基础，达到对光从输入端微纳光纤耦合入输出端微纳光纤的控制，从而实现光纤光开关的功能。
本发明的导通电压较低，仅为4伏左右。
微纳光纤有着普通光纤所不具备的良好的性质：其独有的微细结构可以实现光在亚波长范围内的低损耗传输，其对光场的约束能力要比普通单模光纤强，光在纤芯外以大比例倏逝波传输为光开关响应速度的提高打下了基础，其纤芯与空气包层大的折射率差，使得它可以实现360°弯曲却有着很小的弯曲损耗，这对光开关的重复性和稳定性是具有积极意义的。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
一、微纳光纤的尺寸为微米量级，硅基底以及其上的石墨烯薄膜，金属电极的尺寸也可以控制在毫米量级，这种微小的尺寸使得其具有广阔的可集成化前景，有望用于未来的高集成化模块之中；
二、石墨烯材料的固有性质决定了这种新型光开关的驱动电压仅为4伏左右，驱动电压低，大大降低了对外部功率的要求；
三、本发明一方面采用微纳光纤，增强了倏逝场与石墨烯薄膜的相互作用；另一方面，石墨烯材料的载流子速率在室温下高达200,000cm2V-1s-1，故其光透射可以通过能带理论快速实现调节，开关响应时间约为皮秒量级，因而提高了响应速率；
四、利用石墨烯材料的内在光学性质，无需任何机械转动，通过外部电源控制光的通断，提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖面图；
图3为微纳光纤结构示意图；
图4为微纳光纤耦合示意图；
图5为石墨烯SEM照片；
图6为本发明的开关曲线图；
在图1和图2中，1为微纳光纤、2为石墨烯薄膜、3为金属电极、4为硅基底、5为紫外胶；
在图3和图4中， 1为微纳光纤、2为锥形区、3为标准光纤。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，包括拉锥的光输出微纳光纤、拉锥的光输入微纳光纤和基于石墨烯薄膜的电路控制模块；所述基于石墨烯薄膜的电路控制模块以涂覆有石墨烯薄膜的硅基底为中心，硅基底边缘置有金属电极，金属电极与外电源相连；所述拉锥的光输入微纳光纤和光输出微纳光纤相对地置于石墨烯硅基底上，两微纳光纤的端头因范德瓦尔兹力吸附在一起，作为光路的耦合端；并在微纳光纤上涂覆低折射率紫外胶。
结合图3所示，微纳光纤包括直径约为0.5-2微米的微纳光纤端（1）、锥形区（2）和标准光纤端（3）。微纳光纤的制作方法如下：将标准光纤中间约1-2cm用剥线钳除去涂覆层后，分别用两个自动控制的微动台夹住光纤的左右两端并置于氢氧焰上加热，待光纤受热软化后，控制微动台使其分别向左右两端缓慢匀速移动，在拉力作用下，光纤中端均匀变细变长，最终成为两根拉锥的微纳光纤。操作过程中除去涂覆层是由于其易燃，而使用氢氧焰则是由于其火焰温度稳定，燃烧产物为水，无污染，不会以杂质的形式附着于微纳光纤上。在微纳光纤的制作过程中，需要保持整个环境的清洁，且尽量减少空气的流动性，以免造成火焰漂移从而导致微纳光纤均匀性不佳。
实施例
结合图1，以标准单模光纤拉锥形成微纳光纤构成的开关为例，以涂覆有石墨烯薄膜（2）的硅基底（4）为中心，基底边缘置有金属电极（3），并且与外电源相连，微纳光纤（1）采用在氢氧焰加热一步拉伸单模光纤获得；将两根微纳光纤（1）端头相对地置于石墨烯硅基底上，端头通过范德瓦尔兹力吸附在一起，形成光耦合部分；在微纳光纤（1）上均匀地涂覆低折射率紫外胶（5），从而在光的传输不受影响的情况下对光开关结构起到进一步固定和保护的作用。
本发明的制作过程为：在硅基底（4）上利用滴涂法在中间区域形成一层约2微米厚的石墨烯薄膜（2），将两个金属电极（3）相对地置于石墨烯层边缘。然后将调整好的光路系统固定于镀有石墨烯薄膜(2)的硅基底(4)上，再在微纳光纤(1)上涂覆一层低折射率紫外胶(5)，形成完整的光开关结构。光由光路输入端输入后，为了达到最大的耦合效率，固定光输入端光纤，将输出端光纤置于微动台上并使两根光纤的微纳端通过范德瓦尔兹力吸附在一起，使用微动台对光输出端光纤的位置进行微小调整，并使用功率计测量，当光功率达到最大值时，固定输出端光纤,这时候的光路系统为最佳耦合光路系统。
结合图6所示，在外电压极低的情况下，石墨烯薄膜的透射率很低，利用光探测器探测输出端光纤，输出端无光，即光开关断开。当外电压达到4伏左右的时候，石墨烯薄膜的透射率大大提高，输出端出现通光现象，即光开关导通，且开关完全以后，一直处于直通状态。光开关的通光是在外电压的控制下完成的。通过调整外加电压的大小，改变石墨烯薄膜的透射率，就可以达到控制光开关通断的目的。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，其特征在于：包括拉锥的光输出微纳光纤、拉锥的光输入微纳光纤和基于石墨烯薄膜的电路控制模块；所述基于石墨烯薄膜的电路控制模块以涂覆有石墨烯薄膜的硅基底为中心，硅基底边缘置有金属电极；所述拉锥的光输入微纳光纤和光输出微纳光纤相对地置于石墨烯硅基底上，两微纳光纤的端头因范德瓦尔兹力吸附在一起，作为光路的耦合端；并在微纳光纤上涂覆低折射率紫外胶。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，其特征在于：所述金属电极接外电源，通过不同的外加电压改变石墨烯薄膜的透射率，以光在微纳光纤中的倏逝场传播原理为基础，达到对光从输入端微纳光纤耦合入输出端微纳光纤的控制，从而实现光纤光开关的功能。
3.根据权利要求1所述基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，其特征在于：导通电压为4伏左右。
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