CN106773145A - 基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器。该调制器包括：微细光纤(1)、石墨烯栅层(2)、正电极阵列(3)、负电极阵列(4)和平板基底(5)；石墨烯栅层(2)由至少两个相互平行的石墨烯单元组成，石墨烯栅层(2)设于平板基底(5)上，微细光纤(1)设于石墨烯栅层(2)上，正电极阵列(3)含若干正电极单元，负电极阵列(4)含若干负电极单元，每个石墨烯单元的一端连接一个正电极单元，另一端连接一个负电极单元；石墨烯单元、正电极单元和负电极单元的数量相同。本发明通过对各正负电极对间电压的控制施加随时间变化的空间电信号阵列，可以将任意的调制信号加载到载波上。

Description

基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器

技术领域

本发明属于通信用光纤器件领域，具体说是一种电光空间调制器。尤指一种基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器。

背景技术

光调制器对载波操作，将调制信号掺入载波的幅度、相位或偏振等性质，实现信号加载，是光通信系统中的关键器件。

石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二位碳原子层平面晶体薄膜，狄拉克锥能带结构使其具有各种奇特和突出的光电性能(饱和吸收和超快载流子跃迁和弛豫过程等)。基于这些特性的光调制器、超快锁模激光器、光电探测器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品化。其中，基于石墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，同时还兼顾了集成性、调制深度、调制带宽和功耗等方面的考虑。

基于石墨烯的电光调制器都是通过改变电压调控石墨烯的费米能级，控制石墨烯对载波的传输和吸收性能实现调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度使得这种调制的速度可以非常快(几百fs到几ps)。超宽波长调制范围，大调制深度，低功耗和高面积效率也是石墨烯给予全光调制的优点。自2011年加州大学伯克利分校的刘明等人首次实现石墨烯电光调制以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被报道，是目前基于石墨烯调制研究的主要方向。继刘明等人提出条形结构石墨烯电光调器后，Grigorenko A N和新加坡国立大学的团队于2012年分别提出了马赫增德结构和环形腔结构的石墨烯电光调制器，构成了目前三种主要的电光石墨烯调制结构。条形波导依靠电调吸收实现调制，结构简单，兼容CMOS工艺，但插入损耗和器件能耗大，需要克服电极部分的材料电阻的问题。马赫增德结构依靠Pockets效应电压调节材料的折射率，双臂干涉调整输出光功率，光学带宽大，温度容差高。环形谐振结构电调节环内谐振效果，具有较大的消光比和较小的器件尺寸。这些结构都使用电压调控石墨烯的费米能级改变对光的吸收特性实现光调制，在调制速率(仿真计算)、调制深度、调制带宽、面积效率和功耗等方面都展示了非常优良的性能。

将光纤作为波导结构与石墨烯结合又会使调制器借助光纤的优点：调制器与现有光纤通信系统兼容，极低的输入输出耦合损耗；光可以在光纤中以基模传输，极低的传输损耗；光纤结构理论成熟、性能清晰、种类多样，利于与石墨烯结合设计出各种性能优良的调制器。

需要注意的是，已有的调制器都是采用空间上单点调制的方式，这样产生的已调信号的速度等于调制信号速度，当需要在载波中加载超高频率的信号时就需要超高速的调制信号，而产生超快电信号的高速电路与产生超高重复频率光脉冲序列的光系统都是难于制作的，也是昂贵的。光时分复用是产生高速信号的一种有效办法，但是光时分复用器对制作精度要求很高，而且对温度敏感，同时其本身需要很窄的脉冲光作为光源。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，旨在实现电信号在光域的灵活加载和超快加载。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，包括：微细光纤1、石墨烯栅层2、正电极阵列3、负电极阵列4和平板基底5；

石墨烯栅层2由至少两个相互平行的石墨烯单元组成，石墨烯栅层2中的石墨烯单元数量决定了控制电压信号的加载速度；

石墨烯栅层2设于平板基底5上，

微细光纤1设于石墨烯栅层2上，

正电极阵列3含若干正电极单元，

负电极阵列4含若干负电极单元，

每个石墨烯单元的一端连接一个正电极单元，另一端连接一个负电极单元，以施加该空间电信号阵列；石墨烯单元、正电极单元和负电极单元的数量相同。

在上述技术方案基础上，石墨烯栅层2的层数小于10；石墨烯栅层2的层数影响调制深度，即对光载波的吸收能力。

在上述技术方案基础上，微细光纤1的直径为1微米到20微米；微细光纤1的直径影响调制深度和插入损耗。

在上述技术方案基础上，石墨烯栅层2中石墨烯单元按照相同的空间周期重复排列，相邻两个石墨烯单元的间距为百微米量级；该参数影响调制速度。

在上述技术方案基础上，石墨烯栅层2中各石墨烯单元的宽度相同，长度相同。

在上述技术方案基础上，微细光纤1的两端位于石墨烯栅层2之外。

在上述技术方案基础上，微细光纤1的轴向平行于各石墨烯单元中点的连接线。

在上述技术方案基础上，石墨烯栅层2通过激光刻写的方法设于平板基底5之上。

一种信号调制方法，使用上述任一所述基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器进行。

在上述信号调制方法中，包括：将调制信号编辑成随时间变化的空间电信号阵列，通过对各石墨烯单元两端正电极单元和负电极单元组成的各正负电极对之间电压的控制以施加随时间变化的空间电信号阵列，达到将任意的调制信号加载到载波上的目的。

本发明将高重复频率的调制信号在空间上拆解为很多低重复频率的调制信号，在光波导的不同位置同时加载，对载波的不同空间部分进行同时调制同样可以得到高速调制的效果，这种方法由本发明首次提出，称为空间调制。

本发明基本原理：微细光纤具有强烈的倏逝场，将载波扩散到石墨烯栅层中接受调制。电极阵列的各正负电极对分别向石墨烯栅层中其对应石墨烯栅层中的石墨烯单元同时施加电压，同时改变各石墨烯栅层中的石墨烯单元的费米能级，从而调节其对所在空间位置载波的吸收能力。调制信号被编辑为电极阵列产生的随时间变化的空间电信号阵列施加在石墨烯栅层上，使石墨烯栅层的吸收特性在沿微细光纤轴向形成与空间电信号阵列相同的空间分布，再对载波进行可调的多位置吸收(吸收位置为0信号，不吸收位置为1信号)。石墨烯超短的载流子弛豫时间使单个吸收位置的空间宽度可以很窄同时不牺牲调制深度，因此石墨烯栅层可以产生超高密度的已调信号，也减小了器件整体尺寸。微细光纤轴方向大尺寸的石墨烯栅层可以通过同一时间点加载大量信息来降低所需的电极阵列所加电压的变化速度，从而以很低的调制速度实现超高密度的信号调制，达到超快调制的效果。

本发明所提供的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器的有益效果如下：

(1)空间电信号阵列和空间调制的信息加载方式相组合，改变了传统的单点调制方式，使大量信息可以在同一时刻加载，降低了实际加载控制的速率，解决了单点调制时超快信号源难以获得的问题。

(2)该调制器的串联结构(指重复的石墨烯单元形成的石墨烯栅层2)易于制作(通过激光刻写的方法设于平板基底5之上)，可以精确控制各个低速调制点信号的组合。

(3)该调制器对使用环境不敏感。

(4)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、超宽波长调制范围、低功耗和高面积效率的优势。

(5)微细光纤作为基本波导，与现有光纤通信系统兼容，具有极低的输入输出耦合损耗；载波在微细光纤中以基模传输，具有极低的传输损耗。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器结构示意图。

图2实施例1中各正负电极对间电压随时间变化情况。

图3实施例1中的超快调制效果。

图4实施例2中正负电极对(32,42)、(35,45)、(36,46)、(310,410)、(311,411)、(312,412)间电压随时间变化情况。

图5实施例2中正负电极对(31,41)、(33,43)、(34,44)、(37,47)、(38,48)、(39,49)间电压随时间变化情况。

图6实施例2中的超快调制效果。

具体实施方式

实施例1、基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器

基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器包括：微细光纤1、石墨烯栅层2(由12个相互平行的石墨烯单元21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212组成，各石墨烯单元的宽度和长度相同)、正电极阵列3(由正电极单元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312组成)、负电极阵列4(由负电极单元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412组成)、平板基底5(图1)。

组合方式为：石墨烯栅层2通过激光刻写的方法设于平板基底5上，微细光纤1设于石墨烯栅层2上，微细光纤1的两端位于石墨烯栅层2之外，且微细光纤1的轴向平行于各石墨烯单元中点的连接线，每个石墨烯单元的一端连接一个正电极单元，另一端连接一个负电极单元。与同一个石墨烯单元连接的正电极单元和负电极单元即为正负电极对。

微细光纤1直径为8μm，石墨烯栅层2中每个石墨烯单元的宽度为600μm，相邻两个石墨烯单元的间距为600μm，石墨烯单元数12，整个平板基底5平面尺寸为长×宽为15mm×1mm。所用石墨烯栅层2的层数为1。

载波从微细光纤1一端通入，在微细光纤1另一端即输出端检测输出经过调制的信号。将调制信号[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]编辑为随时间变化的空间电信号阵列，体现在各个正负电极对上电信号都为图2所示，各正负电极对产生的电压施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层2中的石墨烯单元上，可知电信号变化频率为21Ghz。微细光纤1输出端可得到与调制信号[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]对应的已调信号时间波形，图3为其单个时间周期内的时间波形，重复频率为250Ghz，即调制频率。

实施例2、基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器

基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器包括：微细光纤1、石墨烯栅层2(由12个相互平行的石墨烯单元21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212组成，各石墨烯单元的宽度和长度相同)、正电极阵列3(由正电极单元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312组成)、负电极阵列4(由负电极单元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412组成)、平板基底5(图1)。

组合方式为：石墨烯栅层2设于平板基底5上，微细光纤1设于石墨烯栅层2上，微细光纤1的两端位于石墨烯栅层2之外，且微细光纤1的轴向平行于各石墨烯单元中点的连接线，每个石墨烯单元的一端连接一个正电极单元，另一端连接一个负电极单元。与同一个石墨烯单元连接的正电极单元和负电极单元即为正负电极对。

微细光纤1直径为1μm，石墨烯栅层2中每个石墨烯单元宽度为300μm，相邻两个石墨烯单元的间距为300μm，石墨烯单元数12，整个平板基底5平面尺寸长×宽为7.5mm×1mm。所用石墨烯栅层2的层数为2。

载波从微细光纤1一端通入，在微细光纤1另一端即输出端检测输出经过调制的信号。将调制信号[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1……0 0 0 1 1 10 0 1 1 0 1]编辑为随时间变化的空间电信号阵列，正负电极对(32,42)、(35,45)、(36,46)、(310,410)、(311,411)、(312,412)电压变化如图4所示，正负电极对(31,41)、(33,43)、(34,44)、(37,47)、(38,48)、(39,49)电压变化如图5所示，各正负电极对产生的电压对施加在各正负电极对对应的石墨烯栅层2中的石墨烯单元上，可知电信号变化频率为42Ghz。微细光纤1输出端可得到与调制信号[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 01……0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1]对应的已调信号时间波形，图6为其单个时间周期内的时间波形，重复频率为500Ghz，即调制频率。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于，包括：微细光纤(1)、石墨烯栅层(2)、正电极阵列(3)、负电极阵列(4)和平板基底(5)；

石墨烯栅层(2)由至少两个相互平行的石墨烯单元组成，

石墨烯栅层(2)设于平板基底(5)上，

微细光纤(1)设于石墨烯栅层(2)上，

正电极阵列(3)含若干正电极单元，

负电极阵列(4)含若干负电极单元，

每个石墨烯单元的一端连接一个正电极单元，另一端连接一个负电极单元；石墨烯单元、正电极单元和负电极单元的数量相同。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：石墨烯栅层(2)的层数小于10。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：微细光纤(1)的直径为1—20微米。

4.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：石墨烯栅层(2)中石墨烯单元按照相同的空间周期重复排列，相邻两个石墨烯单元的间距为百微米量级。

5.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：石墨烯栅层(2)中各石墨烯单元的宽度相同，长度相同。

6.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：微细光纤(1)的两端位于石墨烯栅层(2)之外。

7.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：微细光纤(1)的轴向平行于各石墨烯单元中点的连接线。

8.如权利要求1所述的基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器，其特征在于：石墨烯栅层(2)通过激光刻写的方法设于平板基底(5)之上。

9.一种信号调制方法，使用权利要求1—8中任一所述基于石墨烯栅层微细光纤的电光空间超快调制器进行。

10.如权利要求9所述的信号调制方法，其特征在于：该方法包括：将调制信号编辑成随时间变化的空间电信号阵列，通过对各石墨烯单元两端正电极单元和负电极单元组成的各正负电极对之间电压的控制以施加随时间变化的空间电信号阵列，达到将任意的调制信号加载到载波上的目的。