CN103176294A - 一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法。它包括单模光纤、二氧化硅槽型基片、Al2O3过渡薄层、石墨烯薄膜，二氧化硅槽型基片上设有单模光纤，并用封装的环氧胶固定，在单模光纤设有凹槽，凹槽设有Al2O3过渡薄层，Al2O3过渡薄层上设有石墨烯薄膜。通过变化金属电极上施加的电压改变石墨烯的电导率特性，从而改变石墨烯复合层结构有效折射率的虚部或实部，实现电吸收强度调制器或者相位调制器。本发明实现全光纤电光调制器的设计，具有尺寸和功耗微小，插入损耗低，调制速度快，有利于光集成等特点。此外由于未引入额外光电子器件，本发明适用于在全光通信系统中和密集波分复用（DWDM）系统中应用。

Description

一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法
技术领域
本发明属于光通信、传感技术及其光电子器件领域，尤其涉及一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法。
背景技术
信息社会中, 数据通信和因特网的日益发展促使市场对传输速率和通信容量需求不断增加, 从而对光传输网络的需求量也迅速增长, 在大容量光传输系统中, 对光信号的高速调制必不可少。光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等。其中电光调制器在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器，因此最具前景并成为研究热点。电光调制器的原理是利用晶体的电光效应，通过控制外电场来改变晶体折射率或双折射率，从而改变输出光波的相位或强度。
近些年来，由于LiNbO3波导的低损耗、高电光效率等特性，LiNbO3电光（EO）调制器已成为高速光通信系统中最有前途的器件，其中基于马赫-曾德(MZ)波导结构的LiNbO3行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。
然而这种调制器的缺点是半波电压目前较高，调制效率较低，且由于是LiNbO3器件，无法做到全光纤化。
自英国曼彻斯特大学物理学奖海姆和诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，这种只有一层原子厚度的材料因其奇特的结构和优异的性能，吸引了人们巨大的热情。在不加外界电压的情况下，石墨烯是零带隙的半导体材料，其能带结构在K空间呈对顶的双锥形，费米能级在迪拉克点之上。由于单原子结构的特殊性，在迪拉克点处的电子态密度很低，电子的填充水平受外界电压的印象很大，通过施加外部电压，可以使石墨烯的费米能级产生移动，从而改变整体材料的电导率等性质。当外加电压很小时，材料的电导率实部与虚部都为正数，石墨烯整体展现出介质的性质；当外加电压达到某一临界值时，电导率的实部和虚部都趋于零，石墨烯整体展现出半金属的性质；当外加电压大于某一临界值时，其电导率的实部为负数，石墨烯整体展现出金属的性质。通过利用石墨烯的介质、半金属、金属特性，可以控制光与石墨烯之间发生耦合作用，设计出具有很高的调制效率及低半波电压的电光调制器。
现有的光通信系统中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需要在其两端连接光纤，以便与光通信系统兼容；同时波导与光纤之间耦合会产生较大的损耗；而波导封装的成本也也会增加器件的成本。因此设计一种廉价、低损耗的新型的石墨烯电光调制器具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法。
基于石墨烯材料的全光纤电光调制器包括单模光纤、二氧化硅槽型基片、Al2O3过渡薄层、石墨烯薄膜，二氧化硅槽型基片上设有单模光纤，并用封装的环氧胶固定，在单模光纤上设有凹槽，凹槽上设有Al2O3过渡薄层，Al2O3过渡薄层上设有石墨烯薄膜。
所述的单模光纤包括光纤芯层和光纤包层。
基于石墨烯材料的全光纤电光调制器的制作方法的步骤包括如下：
1）首先将直径约为125um的单模光纤置入与光纤外径相匹配的二氧化硅槽型基片的槽内，用环氧胶固定；
2）在垂直于光纤长度方向进行滚圆研磨，去除光纤包层，经粗磨后用小于0.5um的金刚石微粉液精磨，再经氧化铈粉抛光，产生光纤芯层研磨区的凹槽，凹槽深度为光纤芯层的半径；
3）在凹槽上采用磁控溅射制作一层厚度为5~50nm的Al2O3过渡薄层，采用化学气相沉积法在铜箔上制作一层厚度为0.7nm的石墨烯薄膜，后再进行转移到Al2O3过渡薄层上。
本发明与现有技术相比，具有的的有益效果如下：该电光调制器体积小、调制效率高、半波电压低、制备工艺简单、无需波导光纤耦合、封装容易、成本低、利于全光纤化等优势。该电光调制器采用了石墨烯光纤结构，器件尺寸微小，参考光纤直径，为微米量级，石墨烯厚度则为几个纳米，因此该电光调制器体积远小于传统电光调制器约10~100毫米量级的尺寸，且具有一般石墨烯电光调制器调制效率高、半波电压低的特点；该电光调制器直接在单模光纤上制备，解决了光纤和波导的耦合难题，因此大大降低了插入损耗，利于实现全光纤化；该电光调制器无需设计特殊的波导结构，只需在一段单模光纤中制备凹面过渡区，Al2O3过渡薄层及石墨烯薄膜，制备工艺简单；基于光纤的器件封装与现有的光纤无源器件封装类似，因此该电光调制器利于封装。因此一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器，实现了将光通信媒介光纤与光调制器结合，避免了传统方法的电光调制器的引入，使得系统的复杂程度大大降低，便于应用到光集成系统、密集波分复用DWDM的系统和全光通信系统中。
附图说明
图1为基于石墨烯材料的全光纤电光调制器的三维结构示意图；
图2为基于石墨烯材料的全光纤电光调制器的横截面剖视示意图；
图3为石墨烯化学势和有效折射率实部及虚部的关系示意图；
图4为光纤模场受纤芯凹面过渡而改变的示意图；
图5为光纤模场进入石墨烯薄膜前的示意图；
图6为石墨烯薄膜中的光纤模场示意图。
图7为光纤模场离开石墨烯薄膜后的示意图；
图8为光纤模场逐渐恢复初始状态的示意图。
具体实施方式
如图1，图2所示，基于石墨烯材料的全光纤电光调制器包括单模光纤1、二氧化硅槽型基片2、Al2O3过渡薄层4、石墨烯薄膜5，二氧化硅槽型基片2上设有单模光纤1，并用封装的环氧胶固定，在单模光纤1上设有凹槽3，凹槽3上设有Al2O3过渡薄层4，Al2O3过渡薄层4上设有石墨烯薄膜5。
所述的单模光纤1包括光纤芯层101和光纤包层102。
基于石墨烯材料的全光纤电光调制器的制作方法的步骤包括如下：
1）首先将直径约为125um的单模光纤1置入与光纤外径相匹配的二氧化硅槽型基片2的槽内，用环氧胶固定；
2）在垂直于光纤长度方向进行滚圆研磨，去除光纤包层102，经粗磨后用小于0.5um的金刚石微粉液精磨，再经氧化铈粉抛光，产生光纤芯层101研磨区的凹槽3，凹槽深度为光纤芯层101的半径，不同于一般D型传感器的平面研磨，采用滚圆研磨可以产生光纤芯层101研磨区的渐变凹面过渡结构，这样有利于降低光纤插入损耗与回波。凹槽3的加工深度可以由台阶仪、轮廓仪或干涉仪等手段进行测量，以便对加工凹槽3的深度进行精密测量与控制；
3）在凹槽3上采用磁控溅射制作一层厚度为5~50nm的Al2O3过渡薄层4，采用化学气相沉积法在铜箔上制作一层厚度为0.7nm的石墨烯薄膜5，后再进行转移到Al2O3过渡薄层4上。由于光纤纤芯101折射率大约为1.45，而石墨烯材料的有效折射率随费密能级的状态具有很大的动态可调性，引入折射率大约为1.76的Al2O3过渡薄层4有利于光学模场分布的稳定，同时由于其附着力和传热性都与光纤纤芯101和石墨烯薄膜5匹配较好，因此有利于增加复合膜层的强度与性能。
本发明的原理如下：
输入信号光由普通单模光纤1输入后，光纤纤芯101泄露出的消逝场与涂敷在Al2O3过渡薄层4上的石墨烯薄膜5相互作用，在石墨烯的表面耦合形成一层表面等离子波，石墨烯越长，光场与石墨烯的作用长度越长，石墨烯对光场的吸收也就越大。电调制信号通过金属电极施加到石墨烯薄膜5上，与表面等离子波耦合，产生偏置电场，有规律地改变石墨烯的电导率特性，从而改变其有效折射率的虚部或实部，其中，有效折射率的虚部与吸收损耗相关，而有效折射率的实部与介质的折射率相关。如图3所示，化学势（施加的电压）的改变会造成石墨烯有效折射率虚部和实部的改变，当化学势在0.505 eV到0.525 eV附近，有效折射率的虚部较大，石墨烯表现很强的吸收特性，可以设计成电吸收强度调制器，有效折射率的实部则会经历一个较大幅度的跳变，造成相位的突变，可以设计成相位调制器。
    图4~图8给出了光纤横断面上本征模场在石墨烯调制器中随光纤长度方向上不同位置的变化。初期阶段，光纤波导中的模场由于凹槽3的研磨加工凹面的影响，其模场形状将逐渐产生改变，由于垂直方向受到凹槽3的加工凹面过渡的影响，光模场在垂直方向受约束变形，如图4，图5所示，光纤纤芯101部分能量还将溢出光纤波导成为消逝波；在进入石墨烯薄膜5区域后，由于石墨烯复合层的有效折射率比光纤纤芯101区要高，石墨烯复合层起到了对光波传输模场的约束作用，光模场逐渐形成石墨烯薄膜5复合层结构局域约束的传输表面等离子体波，并在石墨烯薄膜5的两端还呈现“耳朵”状约束的边缘模场效应，如图6所示。与金属表面传输的等离子体不同的是，石墨烯对光模场限制好，传输距离可以很长。光纤模场离开石墨烯薄膜5后，失去了由石墨烯复合结构的模场约束作用，由于光纤纤芯101研磨区的的渐变过渡结构，如图7，图8所示，光模场重新回到初始状态的波导模场分布。
    以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器，其特征在于：包括单模光纤（1）、二氧化硅槽型基片（2）、Al2O3过渡薄层（4）、石墨烯薄膜（5），二氧化硅槽型基片（2）上设有单模光纤（1），并用封装的环氧胶固定，在单模光纤（1）上设有凹槽（3），凹槽（3）上设有Al2O3过渡薄层（4），Al2O3过渡薄层（4）上设有石墨烯薄膜（5）。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯材料的全光纤电光调制器，其特征在于：所述的单模光纤（1）包括光纤芯层（101）和光纤包层（102）。
3.一种如权利要求1所述基于石墨烯材料的全光纤电光调制器的制作方法，其特征在于：它的步骤包括如下：
1）首先将直径约为125um的单模光纤（1）置入与光纤外径相匹配的二氧化硅槽型基片（2）的槽内，用环氧胶固定；
2）在垂直于光纤长度方向进行滚圆研磨，去除光纤包层（102），经粗磨后用小于0.5um的金刚石微粉液精磨，再经氧化铈粉抛光，产生光纤芯层（101）研磨区的凹槽（3），凹槽深度为光纤芯层（101）的半径；
3）在凹槽（5）上采用磁控溅射制作一层厚度为5~50nm的Al2O3过渡薄层（4），采用化学气相沉积法在铜箔上制作一层厚度为0.7nm的石墨烯薄膜（5），后再进行转移到Al2O3过渡薄层（4）上。
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