CN105044928B - 一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器 - Google Patents

一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器，包括石墨烯薄膜和具有泄漏模场的光纤器件，其特征在于石墨烯薄膜裹覆于具有泄漏模场的光纤器件的光场泄漏区域。具有不同波长的驱动光和信号光通过波分复用器合束进入所述全光纤相移器；所述驱动光的部分光场泄漏于光纤器件外裹覆的石墨烯薄膜上；所述石墨烯薄膜吸收泄漏光场，并通过光热效应产生欧姆热能；石墨烯薄膜上的欧姆热能通过热传导使光纤器件温度升高；光纤器件由于热光效应发生折射率变化；光纤器件的折射率变化使光纤器件中传输的所述信号光产生相位移动。本发明有益于形成一种制备简单、成本低、易操作、低能耗且结构紧凑的光驱动全光纤相移器，有望用于光纤通信、信号处理等领域。

Description

一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器
技术领域
本发明涉及一种由石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器，属于光电子技术领域。
背景技术
光学相移器在光纤技术的许多应用领域均具有重要作用，例如基于光纤的光学通信、干涉传感以及信号处理等系统中，往往都需要用到相移器以调制光信号的相位。特别地，与光纤结构相集成的全光纤相移器，具有最小化的插入损耗和背向反射、偏振不敏感、温度系数低以及封装简单等优点，因而对于光纤系统更为实用。目前已有多种全光纤相移器被提出和报道。例如，利用压电陶瓷器对光纤进行机械拉伸，通过改变光纤的长度而实现对其中传输光信号的相位延迟。但这种相移器的制备工艺复杂，需要将光纤与压电陶瓷器件通过特殊结构设计进行封装，不可避免地存在移动部件，并且所能够实现的相移量一般小于5π；同时受光纤的机械特性所限制，这种压电陶瓷器件驱动的全光纤相移器的响应时间一般在100毫秒量级。另一种全光纤相移器是基于具有电光响应的特种光纤，通过外加电信号调制光纤的折射率，以实现光纤中传输光信号的相位变化。由于需要在特种光纤上制备电光器件，这种相移器同样存在制备工艺复杂、成本高等不足，并且所能够实现的相位变化量亦有限。
全光纤相移器还可以通过光驱动技术来实现，即在光纤中利用一束驱动光来控制信号光的相位变化。相比以上两种全光纤相移器，基于光驱动技术的全光纤相移器具有制备工艺简单、成本低、易操作等优点。例如，基于交叉相位调制或受激布里渊散射等非线性过程均可以实现光驱动的全光纤相移器。但是，由于光纤材料的本征非线性很弱，这种基于光纤非线性效应的光驱动相移器需要非常强的驱动光功率(一般在千瓦量级)和非常大的光纤长度(一般在千米量级)。一种可有效降低驱动光功率并减小光纤长度的方法是在光纤中掺杂稀土元素或过渡金属离子。当驱动光通入掺杂光纤时，光纤的折射率可以通过光热效应或离子基态消耗等方式而改变，从而实现光纤中信号光的相位变化。例如，在铒-镱共掺的光纤中，已有相关报道实现了360°的射频相移以及900皮秒的时间延迟等光驱动相移效果。但这些报道中所使用的驱动光功率仍然较高，一般在100毫瓦量级。另外，这些器件需要成本较高的掺杂光纤，并且在掺杂光纤上制备诸如光纤布拉格光栅等光纤器件较为困难。
发明内容
要解决的技术问题
为克服现有全光纤相移器在制备工艺复杂、成本高、效率低等方面的缺点，本发明旨在提供一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器。
技术方案
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器，其特征包括石墨烯薄膜和具有泄漏模场的光纤器件；所述石墨烯薄膜通过裹覆方式集成于所述具有泄漏模场的光纤器件的光场泄漏区域；所述具有泄漏模场的光纤器件可以是直径在微米量级的光纤锥，也可以是D形光纤，也可以是表面芯光纤；所述石墨烯薄膜是利用化学气相沉积方法生长在金属箔上的石墨烯材料；所述石墨烯材料通过化学腐蚀将金属箔去除后，形成所述石墨烯薄膜；所述石墨烯薄膜被转移至所述具有泄漏模场的光纤器件的光场泄漏区域上，形成石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器；所述石墨烯薄膜可以裹覆于所述光纤锥上具有光场泄漏的区域，也可以裹覆于所述D形光纤上具有光场泄漏的区域，也可以裹覆于表面芯光纤上具有光场泄漏的区域。
本发明所采用的工作原理，其特征在于如下：
石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器的驱动光和信号光通过波分复用器进行合束，并同时进入由所述石墨烯薄膜与所述具有泄漏模场的光纤器件构成的所述全光纤相移器；所述驱动光与所述信号光具有不同波长；所述驱动光在所述具有泄漏模场的光纤器件中传输时，部分光场泄漏于光纤外裹覆的石墨烯薄膜中；所述石墨烯薄膜吸收泄漏的驱动光场，并通过光热效应产生欧姆热能；所述石墨烯薄膜上的欧姆热能通过热传导使所述具有泄漏模场的光纤器件温度升高；所述具有泄漏模场的光纤器件通过温度的变化而发生热光效应，即折射率变化；所述信号光在发生折射率变化的所述具有泄漏模场的光纤器件中传输后，将发生相位移动。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比具有以下有益效果：
1、石墨烯的独特二维电子结构使其对光具有强烈的吸收效果：石墨烯对单次透过的光的吸收率可高达2.3％。另外，石墨烯的零带隙电子结构使其在吸收光子后的激子弛豫过程中不出现光辐射行为，从而使得所吸收的光子能量完全转化为欧姆热能，即具有非常高效的光热效应。本发明所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器利用了石墨烯强烈的光吸收行为和高效光热效应，可以通过控制驱动光的开关和强弱来实现信号光的相位移动，有益于形成一种低能耗、易操作的光驱动全光纤相移器；
2、石墨烯具有二维结构和柔软性，易与光纤结构相集成。本发明所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器仅需将石墨烯薄膜裹覆于具有泄漏模场的光纤器件上，无需制备复杂的电光调制器件或压电器件，也不需要掺杂的特种光纤，通过普通的常规光纤即可实现，有益于简化器件制备工艺并降低成本，同时所形成的相移器具有结构紧凑、无移动部件等优点。
3、本发明所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器利用了石墨烯的光热效应和光纤的热光效应，其中，基于光纤锥的所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器上，相位变化的响应时间可以小于10毫秒，相比基于压电陶瓷驱动和电光驱动的相移器，具有更快的响应速度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中基于光纤锥的石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器结构示意图；
图2为本发明中基于光纤锥的石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器横截面图；
图3为本发明中基于D形光纤的石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器结构示意图；
图4为本发明中基于D形光纤的石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器横截面图；
图5为本发明中基于表面芯光纤的全光纤相移器结构示意图；
图6为本发明中基于表面芯光纤的全光纤相移器截面图；
图7为利用本发明的器件实施全光驱动相移的示意图；
图8为用于表征石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器所产生相移效果的装置示意图；
图9为根据图1中器件示意图制备的石墨烯裹覆于光纤锥上的光驱动全光纤相移器所产生相移的实验测量结果；
图10为根据图1中器件示意图制备的石墨烯裹覆于光纤锥上的光驱动全光纤相移器所产生相移的响应速度测量结果。
图中：1.石墨烯薄膜；2.光纤锥；3.D形光纤；4.表面芯光纤；5.驱动光源；6.信号光源；7.光纤波分复用器；8.石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器；9.光纤合束器；10.光纤分束器；11.光纤环形器；12.光纤光栅；13.光电探测器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器，其结构特征在于将石墨烯薄膜裹覆于具有泄漏模场的光纤器件上；所述石墨烯薄膜为利用化学气相沉积方法生长在金属箔上的石墨烯材料；所述石墨烯材料通过化学腐蚀将金属箔去除后，形成所述石墨烯薄膜；所述石墨烯薄膜可以通过湿法转移技术裹覆于所述具有泄漏模场的光纤器件上；参见图1和图2所示，所述具有泄漏模场的光纤器件可以是经火焰或电加热进行拉锥或氢氟酸腐蚀形成直径在微米量级的光纤锥2，所述石墨烯薄膜1裹覆于光纤锥2上具有光场泄漏的区域；参见图3和图4所示，所述具有泄漏模场的光纤器件也可以是通过侧面抛磨普通光纤形成的D形光纤3，所述石墨烯薄膜1裹覆于D形光纤3上具有光场泄漏的区域；参见图5和图6所示，所述具有泄漏模场的光纤器件也可以是纤芯不对称地位于光纤一侧的表面芯光纤4，所述石墨烯薄膜1裹覆于表面芯光纤4上具有光场泄漏的区域。
参见图7，所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器的工作方式为：驱动光源5与信号光源6所发出的驱动光和信号光经光纤波分复用器7进行合束，并同时进入所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器8；所述驱动光源5与所述信号光源6具有不同波长；所述驱动光在所述具有泄漏模场的光纤器件中传输时，部分光场能量泄漏于光纤外的石墨烯薄膜1中；所述石墨烯薄膜1吸收所述驱动光，并通过光热效应而产生欧姆热能；所述石墨烯薄膜1上的欧姆热能通过热传导使所述具有泄漏模场的光纤器件温度升高；所述具有泄漏模场的光纤器件因温度变化而发生折射率变化；所述信号光在发生折射率变化的所述具有泄漏模场的光纤器件中传输后，将发生相位移动。
参见图8，为检测所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器的相移效果，将所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器8插入马赫-曾德干涉仪光路的其中一臂中，并经光纤波分复用器7将所述驱动光和所述信号光引入所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器8；将窄线宽的所述信号光输入至干涉光路，在不断改变所述驱动光功率的过程中，测量干涉光路中所述信号光的输出功率；通过环形器11和光纤光栅12将马赫-曾德干涉仪光路的输出光信号中所述驱动光的输出光分量进行滤除，同时将所述信号光的输出光分量输入至光电探测器13上，以测量不同驱动光功率下信号光输出功率的变化，进一步得到相移器产生的相位变化。另外，通过将所述驱动光调制成方波信号，检测所述信号光经马赫-曾德干涉仪光路后的输出功率的时间响应，可以测量所述相移器的响应速度。
通过在利用火焰加热形成的直径10微米、长度5毫米的光纤锥上裹覆石墨烯薄膜，制备了图1和图2所示的石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器。利用图8所示的测量装置，对所制备全光纤相移器，在波长为980纳米的光驱动下，测量了波长为1550纳米的信号光受到的相位移动。参见图9，当驱动光功率为230毫瓦时，在所制备的全光纤相移器上得到了21π的相位移动，相位变化斜率高达0.091π/毫瓦，表现出高效率和低能耗。进一步将驱动光调制成方波信号，测量所制备相移器上相位变化随驱动光的响应速度。参见图10，在驱动光开和关的过程中，相位变化上升至最大值的90％时所需要的时间为9.1毫秒，相位变化下降至最大值的10％时所需要的时间为3.2毫秒，说明本发明的全光纤相移器具有较快的响应速度。

Claims (1)

1.一种石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器，其特征在于包括石墨烯薄膜(1)和具有泄漏模场的光纤器件；所述石墨烯薄膜(1)集成于所述具有泄漏模场的光纤器件的光场泄漏区域；所述具有泄漏模场的光纤器件是直径在微米量级的光纤锥(2)；或D形光纤(3)；或表面芯光纤(4)；所述石墨烯薄膜(1)裹覆于所述光纤锥(2)的光场泄漏区域；所述石墨烯薄膜(1)裹覆于所述D形光纤(3)的光场泄漏区域；所述石墨烯薄膜(1)裹覆于所述表面芯光纤(4)的光场泄漏区域；所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器的驱动光和信号光经波分复用器进行合束，并同时进入由所述石墨烯薄膜(1)与所述具有泄漏模场的光纤器件构成的所述石墨烯辅助的光驱动全光纤相移器；所述驱动光与所述信号光具有不同波长；所述驱动光在所述具有泄漏模场的光纤器件中传输时，部分光能量泄漏于光纤外的石墨烯薄膜(1)中，并被所述石墨烯薄膜(1)吸收；所述石墨烯薄膜(1)吸收所述驱动光的泄漏光场后，通过光热效应而产生欧姆热能；进一步，所述石墨烯薄膜(1)上的欧姆热能通过热传导使所述具有泄漏模场的光纤器件温度升高；所述具有泄漏模场的光纤器件因温度变化而发生折射率变化；所述信号光在发生折射率变化的所述具有泄漏模场的光纤器件中传输后，将发生相位移动。
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