CN106249441A - 石墨烯多孔光纤电光调制器 - Google Patents

石墨烯多孔光纤电光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯光纤及用所述光纤制备而成的电光调制器。所述光纤具有设置在光纤内部且沿光纤轴向贯穿光纤两端的单个或多个空气孔，在每个空气孔内部表面上设置有石墨烯薄膜，在光纤两端表面和光纤中段表面也设置有石墨烯薄膜，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜之间相互电连接，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘。本发明提供的石墨烯光纤电光调制器，与光纤光路系统耦合方便，工作频带宽，调制效率高，能量损耗低，适合工业化放量生产，可广泛应用于光纤通信、激光雷达系统和传感等领域。

Description

石墨烯多孔光纤电光调制器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种石墨烯多孔光纤电光调制器。
背景技术
电光调制器是利用电光效应制成的调制器件，在光纤通信和激光雷达系统中应用广泛。目前，光纤通信用电光调制器主要是利用波导或光纤结构对1.55微米波段激光进行调制，调制带宽达160GHz以上，通信速率达40Gbps。如何提高调制速率和消光比是影响光纤通信系统带宽升级的瓶颈问题。石墨烯是碳原子以sp2方式杂化并排列成六方对称周期性结构的二维原子晶体，具备超乎寻常的光学、电学及热学性质，例如非线性极化率高达10- 7esu，载流子迁移率高达2×105cm2v-1s-1，均远远高于传统硅半导体材料。其在可见和红外光波段的透过率高达97.7％，电导率比铜还高。这些优异的光电特性使石墨烯成为理想的饱和吸收体与非线性光学介质，具有宽波带、超快响应、高三阶非线性系统以及低饱和吸收强度等优点，在锁模或调Q脉冲激光产生以及四波混频波长转换等电光调制技术领域具有广阔的应用前景。
石墨烯电光调制器是通过对石墨烯施加电压使其费米能级改变进而调制激光开关状态。当施加足够电压使石墨烯费米能级相对狄拉克点上升或下降能级超过入射光子能量一半的位置时，入射光子由于泡利阻塞效应无法激发电子空穴对产生，从而出现可饱和吸收或吸收漂白现象，此时激光完全“打开”。反之，当费米能级位置移动不满足上述条件时，石墨烯电子吸收入射光子能量产生跃迁，此时激光被“关断”。在激光调制过程中，输出光功率在开关状态下的比值为调制消光比，是衡量电光调制器性能的重要指标。而单层石墨烯的吸收率为2.3％，最高可实现的调制消光比约为-0.1dB。如何设计特殊的石墨烯光纤结构以提高调制消光比是石墨烯光纤电光调制器技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽频带、高调制效率和低损耗的石墨烯光纤及用所述光纤制备而成的电光调制器。光纤是一种结构可调的非线性光学介质，具有独特的光学调制特性，在光纤调制器领域具有良好的应用价值。因此，通过设计制备石墨烯光纤调制器，实现宽频带、超快、高消光比的电光响应，能够满足高速、高效电光调制系统的要求。
本发明提供的石墨烯光纤，通过如下技术方案实现：
一种石墨烯光纤，所述光纤具有设置在光纤内部且沿光纤轴向贯穿光纤两端的单个或多个空气孔，在每个空气孔内部表面上覆盖有石墨烯薄膜，在光纤两端表面和光纤中段表面也覆盖有石墨烯薄膜，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜之间相互电连接，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘。
本发明提供的石墨烯光纤电光调制器，通过如下技术方案实现：
一种石墨烯光纤电光调制器，所述调制器包括一种石墨烯光纤，所述光纤具有设置在光纤内部且沿光纤轴向贯穿光纤两端的单个或多个空气孔，在每个空气孔内部表面上设置有石墨烯薄膜，在光纤两端表面和光纤中段表面也设置有石墨烯薄膜，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜之间相互电连接，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘；在光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜上和光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜上分别设置金属电极。
本发明还提供一种石墨烯光纤电光调制器的调制方法，所述调制器为上述石墨烯光纤电光调制器，所述方法包括如下步骤：通过施加电压在光纤空气孔内壁和光纤外表面之间形成静电场，调节石墨烯表面分布静电荷的密度从而改变石墨烯的费米能级；当施加电场使石墨烯费米能级大于入射光子能量之半时，石墨烯产生可饱和吸收，此时入射光不能被石墨烯吸收，入射光从光纤一端入射经过全反射后从光纤另一端出射；反之，当石墨烯费米能级小于入射光子能量之半时，石墨烯吸收入射光子能量，入射光从光纤一端入射而不能从光纤另一端出射，从而实现石墨烯光纤的电光调制功能。
本发明还提供一种石墨烯光纤电光调制器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)在一段裸光纤表面完全覆盖连续的石墨烯薄膜，获得石墨烯光纤；
2)在步骤1)所述石墨烯光纤的两端分别将其外表面覆盖的石墨烯薄膜切断，得到光纤中段与两端隔开的石墨烯薄膜结构，一部分为光纤两端外表面、光纤两端端面与内部孔壁覆盖的连续石墨烯薄膜，另一部分为光纤中段外表面覆盖的连续石墨烯薄膜；
3)在步骤2)所述光纤中段和光纤两端隔开的石墨烯薄膜上分别制备金属电极；
4)将步骤3)所述光纤中段的电极接电源正极，光纤两端的电极接地，得到所述石墨烯光纤电光调制器。
上述方法的步骤1)中，裸光纤选自全内反射光子晶体光纤、光子带隙光子晶体光纤和空芯光纤中的至少一种；
所述裸光纤的表面完全覆盖连续的石墨烯薄膜；
所述石墨烯薄膜厚度均匀，且层数可为1-10层；
上述方法的步骤3)中，所述金属电极为Au、Pt或Cr/Au双层膜。
本发明提供的石墨烯光子晶体光纤电光调制器，与光纤光路系统耦合方便，工作频带宽，调制效率高，能量损耗低，适合工业化放量生产，可广泛应用于光纤通信、激光雷达系统和传感等领域。
附图说明
图1为本发明所述石墨烯光纤电光调制器的结构示意图；
图2为本发明所述石墨烯光纤电光调制器的电场调制原理图；
图3为本发明所述石墨烯电光响应随电场调制变化示意图；
图4为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的结构示意图；
图5为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的剖面图；
图6为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的电子显微镜照片；
图7为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的拉曼光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。所述石墨烯光纤调制器不限于光纤通信用1.5微米波段的激光调制。
如图1所示，石墨烯光纤调制器包括光纤101，所述光纤具有设置在光纤内部且沿光纤轴向贯穿光纤两端的多个空气孔，空气孔的数量可以根据需要设置，例如可以是1-1000个，可分布在径向由内向外形成的1－10层中，图中仅示意性的画出了最内层的6个。在每个空气孔内部表面上设置有单层或多层石墨烯薄膜，在光纤两端202和光纤中段201表面也设置有单层或多层石墨烯薄膜，光纤两端202表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段201表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘，即不存在电连接。其中，石墨烯薄膜厚度均匀，且层数为1-10层。所述光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜包括光纤两端外表面和光纤两端端面覆盖的石墨烯薄膜，所述光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜为连续的石墨烯薄膜。
在空气孔内部表面和光纤外表面覆盖石墨烯薄膜的方法可以是化学气相沉积法，或者其他适合的方法，例如石墨烯溶液涂覆法。利用化学气相沉积法生长石墨烯薄膜的方法包括如下步骤：
步骤一、将裸光纤置于化学气相沉积反应炉中，通入惰性气体保护并升温至1000-1200℃；
步骤二、保持温度恒定，通入甲烷和氢气反应2-5小时，反应结束后关闭碳源并取出样品，得到表面完全覆盖石墨烯的光纤。
光纤外表面覆盖有三段石墨烯薄膜，所述三段石墨烯薄膜包括光纤两端外表面覆盖的石墨烯薄膜和光纤中段表面覆盖的石墨薄膜，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段的石墨烯薄膜呈不连续分布状态，即光纤两端202表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段201表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘。其中，光纤两端202表面覆盖的石墨烯薄膜包括在光纤两端端面覆盖的石墨烯薄膜和光纤两端环面或者外表面覆盖的石墨烯薄膜，光纤两端端面覆盖的石墨烯薄膜将光纤两端环面石墨烯薄膜与空气孔表面的石墨烯薄膜连接为一体。在外表面覆盖的三段石墨烯薄膜均设置有电极301并与引线相连接，即两端的石墨烯薄膜和中段的石墨薄膜表面均设置有电极301并与引线相连接。每个光纤两端环面的石墨烯薄膜长度可以根据电极的长度而定，例如可以是1mm-10mm，优选为1-5mm，或者可以设定为整个光纤长度的1％-10％，优选为1％-5％。
三段石墨烯薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一、在裸光纤所有表面上(即在光纤的所有空气孔表面、两端端面及外环环面上)生长连续的单层或多层石墨烯薄膜；
步骤二、将沉积在光纤两端外表面的石墨烯薄膜切断，得到光纤中段201与两端202不连续的石墨烯薄膜结构。
其中，在裸光纤表面上生长连续的单层或多层石墨烯薄膜的方法可以与在光纤内部空气孔表面生长石墨烯薄膜的方法相同，例如可以是化学气相沉积法，或者其他适合的方法，例如石墨烯溶液涂覆法。
切断石墨烯薄膜的方法可以是掩模刻蚀法，或者其他适合的方法。利用掩模刻蚀法切断石墨烯薄膜的方法大致包括如下步骤：
步骤一、在光纤表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，采用电子束曝光或压印的方法在光纤表面垂直于光纤轴向刻蚀两条沟道；
步骤二、采用氧等离子体刻蚀法将沟道处的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜及其下层覆盖的石墨烯薄膜刻蚀掉；
步骤三、采用有机溶剂将刻蚀过的石墨烯光纤表面的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜完全清洗干净，得到光纤两端和中段隔开的石墨烯薄膜。
在光纤外表面设置的三段石墨烯薄膜上分别制备电极301及引线，所述电极为金属或合金材料，例如可以为Au、Pt或Cr/Au双层膜(即先镀一层Cr，再镀一层Au)。
图2为本发明所述石墨烯光纤电光调制器的电场调制原理图，从图2可以看出，由于光纤中段201的电极与电源正极相连接，光纤两端202的电极接地从而使得光纤内部空心孔表面的石墨烯接地，在光纤内部的空心孔表面的石墨烯上形成负电荷，在光纤中段的石墨烯表面形成正电荷，在负电荷与正电极之间形成电场，入射光可以在空气孔内形成全反射。
图3为通过施加电场改变石墨烯费米能级而实现电光调制功能的示意图。通过施加电压在光纤空气孔内壁和外表面之间形成静电场，调节石墨烯表面分布静电荷的密度能够改变石墨烯的费米能级。当施加电场使石墨烯费米能级大于入射光子能量之半时，石墨烯产生可饱和吸收，此时入射光不能被石墨烯吸收，入射光例如激光从光纤一端入射经过全反射后从光纤另一端出射，即处于完全“打开”状态；反之，当石墨烯费米能级小于入射光子能量之半时，石墨烯吸收入射光子能量，入射光例如激光处于“关闭”状态，从而实现石墨烯光纤的电光调制功能。
图4为石墨烯光子晶体光纤的结构示意图。与图1所示光纤类似地，光子晶体光纤包括设置在光纤内部且贯穿光纤两端的多个空气孔，空气孔的数量可以根据需要设置，例如可以是1-1000个，可分布在径向由内向外形成的1－10层中，图中仅示意性的画出了最内层的6个。在每个空气孔内部表面以及光纤101两端端面和外环环面上，即光子晶体光纤的所有表面上均设置有单层或多层石墨烯薄膜102。
实施例1、石墨烯全内反射光子晶体光纤电光调制器
1)在一段长5厘米的全内反射光子晶体裸光纤上，利用化学气相沉积法在其所有表面生长连续的单层石墨烯薄膜(102)以制备石墨烯光子晶体光纤，其结构示意图和剖面图分别如图4和图5a所示，其扫面电子显微镜照片和拉曼光谱图分别如图6和图7所示；
2)对于上述石墨烯光子晶体光纤，采用掩模刻蚀法分别将其两端外表面沉积的石墨烯薄膜切断，得到光纤中段(201)与两端(202)不连续的石墨烯薄膜结构；
3)在步骤2)所得光纤的中段和两端的石墨烯薄膜上分别制备Au电极(301)及引线；
4)将步骤3)所得光纤的中段电极接电源正极，两端的电极接地，得到所述石墨烯全内反射光子晶体光纤电光调制器。通过施加电场可改变石墨烯的费米能级进而实现电光调制功能。
实施例2、石墨烯光子带隙光子晶体光纤电光调制器
1)在一段长5厘米的空芯光子带隙光子晶体裸光纤上，利用化学气相沉积法在其所有表面生长连续的多层(2-10层)石墨烯薄膜(102)以制备石墨烯光子晶体光纤，其结构示意图如图5b所示；
2)对于上述石墨烯光子晶体光纤，采用掩模刻蚀法分别将其两端外表面沉积的石墨烯薄膜切断，得到光纤中段(201)与两端(202)不连续的石墨烯薄膜结构；
3)在步骤2)所得光纤的中段和两端的石墨烯薄膜上分别制备Cr/Au电极(301)及引线；
4)将步骤3)所得光纤的中段电极接电源正极，两端的电极接地，得到所述石墨烯全内反射光子晶体光纤电光调制器。通过施加电场可改变石墨烯的费米能级进而实现电光调制功能。

Claims (11)

1.一种石墨烯光纤，所述光纤具有设置在光纤内部且沿光纤轴向贯穿光纤两端的单个或多个空气孔，在每个空气孔内部表面上覆盖有石墨烯薄膜，在光纤两端表面和光纤中段表面也覆盖有石墨烯薄膜，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜之间相互电连接，光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互电绝缘。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤选自全内反射光子晶体光纤、光子带隙光子晶体光纤和空芯光纤中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述石墨烯薄膜为单层或多层石墨烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜包括光纤两端外表面和光纤两端端面覆盖的石墨烯薄膜，所述光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜与每个空气孔内部表面上覆盖的石墨烯薄膜为连续的石墨烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述空气孔为1-1000个，分布在径向由内向外形成的1－10层中。
6.根据权利要求1－5任一项所述的光纤，其特征在于，在光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜上和光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜上分别设置金属电极。
7.根据权利要求6所述的光纤，其特征在于，所述金属电极为Au、Pt或Cr/Au双层膜。
8.一种石墨烯光纤电光调制器，所述调制器包括权利要求1－7任一项所述的光纤，在光纤两端表面覆盖的石墨烯薄膜上和光纤中段表面覆盖的石墨烯薄膜上分别设置金属电极。
9.一种石墨烯光纤电光调制器的调制方法，所述调制器为权利要求8所述的石墨烯光纤电光调制器，所述方法包括如下步骤：通过施加电压在光纤空气孔内壁和光纤外表面之间形成静电场，调节石墨烯表面分布静电荷的密度从而改变石墨烯的费米能级；当施加电场使石墨烯费米能级大于入射光子能量之半时，石墨烯产生可饱和吸收，此时入射光不能被石墨烯吸收，入射光从光纤一端入射经过全反射后从光纤另一端出射；反之，当石墨烯费米能级小于入射光子能量之半时，石墨烯吸收入射光子能量，入射光从光纤一端入射而不能从光纤另一端出射，从而实现石墨烯光纤的电光调制功能。
10.一种石墨烯光纤电光调制器的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)在一段裸光纤表面完全覆盖连续的石墨烯薄膜，获得石墨烯光纤；
2)在步骤1)所述石墨烯光纤的两端分别将其外表面覆盖的石墨烯薄膜切断，得到光纤中段与两端隔开的石墨烯薄膜结构，一部分为光纤两端外表面、光纤两端端面与内部孔壁覆盖的连续石墨烯薄膜，另一部分为光纤中段外表面覆盖的连续石墨烯薄膜；
3)在步骤2)所述光纤中段和光纤两端隔开的石墨烯薄膜上分别制备金属电极；
4)将步骤3)所述光纤中段的电极接电源正极，光纤两端的电极接地，得到所述石墨烯光纤电光调制器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光纤选自全内反射光子晶体光纤、光子带隙光子晶体光纤和空芯光纤中的其中一种。
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