CN102540506A - 基于d型光纤的石墨烯电光调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，是将光纤（1）上一段制作成D型凹槽，在D型光纤（2）表面敷设有石墨烯（4），在石墨烯（4）的一端制备有金属电极及引线（3），所述石墨烯（4）薄膜上镀有一层绝缘层（5）；所述绝缘层（5）为Al₂O₃或其它具有高介电常数的绝缘层，所述绝缘层（5）镀设在石墨烯（4）薄膜上金属电极及引线（6）旁边；所述的金属电极及引线（6）为导电性电极，所述导电性电极是Au或者Pt；本发明在两电极引线上加电信号，产生垂直于石墨烯（4）薄膜的电场，从而改变石墨烯（4）的费米能级，实现通过石墨烯（4）的光信号吸收强度的改变，从而实现石墨烯（4）的电光调制功能。

Description

基于D型光纤的石墨烯电光调制器及其制备方法

 所属领域

本发明涉及一种石墨烯电光调制器，特别是一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器的制备方法,属于光电子器件领域。

背景技术

目前，电光调制器用于调节光束开关，把电信号转化成光学信号传输数字信息，多用于互联网连接。石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，也有人使用“单层石墨”作为其称呼。在石墨烯中，碳原子以sp²杂化并排列成蜂窝状六角平面结构。石墨烯也是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。石墨烯在2004年首先被英国曼彻斯特大学的科学家发现，石墨烯的发现者于2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯中载流子的室温迁移率>20000 cm²/Vs，比目前所知的任何半导体材料都高，包括半导体行业中大规模应用的硅材料，被认为是未来纳米电子器件中硅的替代者。

    石墨烯对光的透过率高达97.7％，其中约2.3％的光会被吸收，石墨烯能吸收的光涵盖数千纳米，从紫外线到红外线都可吸收，因此是一种与波长无关的吸收材料。将石墨烯施加不同电压，石墨烯中电子的能量（费米能级）会改变，而石墨烯是否吸收光线也会决定其费米能级。当施加充足电压时，石墨烯的费米能级会上升或下降至1/2入射光子能量（相对于本征石墨烯费米面即狄拉克点位置），则入射光子不能被电子吸收生成电子空穴对。因此，当光子通过石墨烯时，石墨烯完全透明，“打开”光线。反之，当施加电压不满足以上“临界点”，即不足以改变石墨烯费米面至1/2入射光子能量（相对于本征石墨烯费米面即狄拉克点位置），则部分光子会被电子吸收并产生电子空穴对，从而“关闭”光线。于是，石墨烯便有了通过改变其加载电压来打开或关闭光线的能力，即可充当电光调制器。用石墨烯这种世界上最薄且最坚硬的新型材料，可做成高速、耐热、宽带、廉价和小尺寸的调制器。

    调制消光比是调制器的一个重要参数，定义为调制后输出光功率在打开和关断状态之间的功率差别。由于单层石墨烯的吸收仅为2.3％，不加电压时透过的光功率高达97.7％，施加临界电压让石墨烯对光完全透明，即透过100％功率，因此调制消光比为－10×LOG(97.7%/100%)=0.13dB。如此小的功率差别导致根本无法观测功率变化，而普通调制器的消光比需要至少大于13dB。因此需要特殊设计石墨烯调制器来满足消光比的要求。

现有的互联网网络传输是以铜导线为主，已接近了瓶颈阶段。科学家们正在研究用光来传输信息，但已有的光学调制器具有成本太高、体积太大、对温度过于敏感等缺陷。现有的光通信系统大量使用独立封装的单个调制器，基于波导结构的石墨烯调制器为了和光纤通信系统兼容，需要在两端连接光纤。由于石墨烯波导调制器的波导结构较为特殊，大部分光能量在波导表面传播，因此波导与光纤之间的耦合存在较大的困难，耦合损耗会很大。此外，波导和光纤耦合之后需要进行封装，而波导封装成本往往会占据整个器件成本的很大一部分。因此需要设计一种新型的石墨烯电光调制器来解决上述问题。

发明内容

为了解决以上存在的问题，本发明提供了一种石墨烯电光调制器，它具有消光比大、制备工艺简单、无需波导光纤耦合、封装容易、成本低等优势。

为达到以上目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其制备方法具有如下步骤：

a、D型光纤制备；

b、石墨烯制备；

c、石墨烯转移至D型光纤纤芯表面；

d、石墨烯电极制备；

e、镀绝缘层；

f、制备正电极；

g、封装。

本发明是将光纤上一段制作成D型凹槽，在D型光纤表面敷设有石墨烯，在石墨烯的一端制备有金属电极及引线，在石墨烯薄膜上镀有一层绝缘层；所述绝缘层为Al₂O₃或其它具有高介电常数的绝缘层，所述绝缘层镀设在石墨烯薄膜上金属电极旁边；所述的金属电极为导电性电极，所述导电性电极是Au或者Pt。

本发明一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器制备工艺流程具体如下：

1、D型光纤制备：

    采用化学腐蚀法或其它方法在单模光纤需要制备调制器的部分去除涂覆层和包层，将纤芯暴露在空气中；

   2、石墨烯薄膜制备：

    利用化学气相沉积法或其它方法制备大尺寸高质量石墨烯；

   3、石墨烯薄膜转移到D型光纤表面:

   通过化学溶液腐蚀石墨烯衬底的方法使石墨烯漂浮在溶液表面，用D型光纤作为衬底将石墨烯薄膜转移出，即获得石墨烯贴膜D型光纤；

   4、石墨烯电极制备：

   在石墨烯靠近D型光纤端面的一端加金属电极，并制备引线。由于石墨烯本身具有很好的导电性，和金属电极接触的石墨烯自身成为电极；

5、镀绝缘层

   在石墨烯未镀金属电极的面积上方镀绝缘层。避免石墨烯与第六步上电极的直接接触；

6、制备正电极

在绝缘层正上方再镀一层金属电极，并制备引线。在两电极的引线上加载电压之后，产生的电场垂直于石墨烯表面，可改变石墨烯的费米能级，从而实现电光调制的效果；

7、封装

   采用现有光纤器件的封装工艺完成D型光纤石墨烯电光调制器的封装；

本发明采用以上技术方案后，具有以下有益效果：一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，具有消光比大、制备工艺简单、无需波导光纤耦合、封装容易、成本低等优势。光与石墨烯的相互作用长度由D型光纤以及石墨烯的长度决定，可以达到cm量级，容易实现大的消光比，符合数字通信系统对调制消光比的要求；该调制器无须设计特殊的波导结构，只需在一段普通的单模光纤上先后制备D型光纤，镀石墨烯膜和电极等，工艺简单；由于此电光调制器直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗很低；此外基于光纤的器件封装与现有的光纤无缘器件封装工艺相似，易于波导器件的封装。因此基于D型光纤的石墨烯电光调制器能很好的满足数字光纤通信系统的要求，并与现有光纤通信系统完全兼容，制备简单，成本低，能产生巨大的经济效应。导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。可去除任何光纤涂覆层和包层，还可产生单层石墨烯。此制备方法可转移任何石墨烯。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明D型光纤石墨烯调制器截面图。

图3为本发明封装图。

图中：1、光纤  2、D型光纤  3、石墨烯电极和引线　　 4、石墨烯  5、绝缘层  6、金属电极和引线。

具体实施方式

根据图1、图2、图3所示，一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其制备方法具有如下步骤：

a、D型光纤制备：

首先使用光纤剥线钳在一段单模光纤１的中部约2cm长度去除涂覆层，然后采用化学腐蚀法在已去涂覆层单模光纤１中部选择1cm长度，去除包层，将纤芯暴露在外；

b、石墨烯薄膜制备：

利用化学气相沉积法制备1cm×1cm高质量石墨烯４，并采用化学腐蚀法去除石墨烯４生长衬底，使石墨烯漂４浮在溶液表面；

c、石墨烯薄膜转移到D型光纤表面:

用D型光纤2作为新的石墨烯4衬底，将漂浮在溶液表面的石墨烯4薄膜转移出，即获得石墨烯4贴膜D型光纤2；

d、石墨烯电极制备：

在石墨烯4靠近D型光纤2端面的一端加Au电极3，并制备引线；

e、镀绝缘层

在石墨烯未镀Au电极的面积上方镀80nm厚Al₂O₃绝缘层；

f、制备正电极

在Al₂O₃绝缘层正上方再镀一层Au电极，并制备引线；

g：封装

采用现有光纤器件的封装工艺完成D型光纤石墨烯电光调制器的封装。

本发明是将光纤１上一段制作成D型凹槽，在D型光纤２表面敷设有石墨烯４，在石墨烯４的一端制备有金属电极３及引线，在石墨烯4薄膜上镀有一层绝缘层5。所述绝缘层5为Al₂O₃或其它具有高介电常数的绝缘层，所述绝缘层5镀设在石墨烯4薄膜上金属电极6旁边。所述金属电极6为导电性电极，所述导电性电极是Au或者Pt。所述D型光纤２可通过V型槽固定在硅或其它材料衬底上以方便电极绝缘层制备以及封装测试。

具体实施方式如下：首先在一根普通单模光纤1上选择一段(~1cm长)去除涂覆层和包层，制作成D型光纤２。然后将制备好的石墨烯4薄膜转移到D型光纤2上，让石墨烯4薄膜完全覆盖D型光纤2的纤芯。因此从纤芯泄漏出的光消逝场和石墨烯4相互作用，石墨烯4越长，光场与石墨烯4的作用长度越长，石墨烯４对光场的吸收就越大。在石墨烯４的一端制备金属电极５及引线，然后在石墨烯４薄膜上金属电极３旁边镀一层Al₂O₃绝缘层５，在绝缘层５正上方镀金属电极３并加引线，最后采用现有光纤器件的封装工艺完成D型光纤２的石墨烯４电光调制器封装。

Claims (4)

1.一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其特征是其制备方法具有如下步骤：

a、D型光纤制备；

b、石墨烯制备；

c、石墨烯转移至D型光纤纤芯表面；

d、石墨烯电极制备；

e、镀绝缘层；

f、制备正电极；

g、封装。

2.根据权利要求１所述的一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其特征是将光纤（１）上一段制作成D型凹槽，在D型光纤（２）表面敷设有石墨烯（４），在石墨烯（４）的一端制备有金属电极及引线（３），在石墨烯（4）薄膜上镀有一层绝缘层（5）。

3.根据权利要求１、2所述的一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其特征是所述绝缘层（5）为Al₂O₃或其它具有高介电常数的绝缘层，所述绝缘层（5）镀设在石墨烯（4）薄膜上金属电极及引线（6）旁边。

4.根据权利要求１所述的一种基于D型光纤的石墨烯电光调制器，其特征是所述金属电极及引线（6）为导电性电极，所述导电性电极是Au或者Pt。

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