CN108363222A - 一种空间正交的全光调制三端器件 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种空间正交的全光调制三端器件。包括步骤：（1）利用火焰加热法对单模光纤进行拉制，制作微纳光纤足细以使得倏逝波占比足够大；（2）在微纳光纤上覆盖一定长度的石墨烯；（3）将其与两个FC接头以及一个柱状透镜组装成型；（4）对该三端器件输入泵浦光及信号光；（5）根据三端器件输出端口所获得的光谱，测量调制后带宽、调制深度以及响应时间。本发明利用空间耦合方式对信号光进行调制，是一种新型的三端口调制器件，具有谱宽极其宽，输出信号光干净，泵浦光选择性广泛，响应速度快，响应时间不受石墨烯覆盖长度限制等特点，在全光通信中可发挥其优秀作用。

Description

一种空间正交的全光调制三端器件

技术领域

本发明属于光通信领域中全光调制技术，特别涉及一种基于空间正交的、全光的、利用石墨烯进行调制的三端口器件。

背景技术

石墨烯作为一种新颖的二维材料，具有奇特的电学与光学性能，被称为“超级材料”，获得了广泛的关注和应用，目前在生物医学，机械和锁模激光器等方面均有报道。由于石墨烯具有零带隙线性结构，使得其能够在300 nm~6000 nm甚至更宽的频带上工作，已有研究者将石墨烯该性能应用到宽带超连续谱调制器以及超宽带吸波器当中。在宽带超连续谱调制器和超带宽吸波器方面有了报道。

石墨烯电子具有线性的能量－动量关系，与二维狄拉克费米子的电子输运特性相类似。在光生载流子过程中，石墨烯首先发生带间跃迁过程，非平衡态的载流子通过自身的散色碰撞，从而达到热平衡态，其时间尺度为几百飞秒，随后载流子与声子碰撞以及电子与空穴复合而得到进一步冷却，该过程发生的时间尺度为皮秒量级。超快弛豫过程为实现宽带超快全光调制器提供了可能。

目前已报道的石墨烯全光调制器都是由两束不同波长的光通过耦合方式进入MGCM，经倐逝波的方式与石墨烯发生相互作用，根据石墨烯的交叉吸收原理，实现调制。在光功率输入较低情况下，全光调制器MGCM的输入功率与调制深度成线性关系，随着信号光功率的提高，吸收呈现出非线性变化。单层石墨烯对可见光以及近红外波段光垂直的吸收率仅为2.3%。为了在低功率下实现调制，可以将石墨烯与半导体工艺进行结合，能够在低功率下实现了1dB的调制深度。但是由于硅或锗中载流子参与调制过程，所以调制速率受到了限制。目前已报道的全光调制器可以实现28dB的调制深度，并测得超快时间响应（2.2ps），与早期的石墨烯电光调制器相比，其调制速率更高。

为了解决上述问题，本专利申请的发明人提出了一款新颖的MGCM全光调制器，它与现有全光调制在调制方案上存在不同：泵浦光光路与信号光光路组成一个二维平面，信号光通过标准单模通信光纤的一端输入，传输至微纳光纤时经倐逝波与单层石墨烯作用，而泵浦光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处与石墨烯作用。由于调制过程中泵浦光与信号光通过不同的光路，光纤中传输的仅有信号光，所以在输出端能够获得“干净”的调制信号，因而后续不需要光学滤波，使得系统更为经济、灵活。

发明内容

本发明的目的提出一种空间正交的全光调制三端器件；该器件利用石墨烯对倏逝波的吸收特性进行全光调制，且该器件的装置结构简单，稳定可靠。

本发明空间正交的全光调制三段器件装置，包括涂覆石墨烯的微纳光纤、柱状棱镜及两个FC接头；所述微纳光纤为火焰加热常规光纤至熔融状态后拉伸得到；采用湿法转移将石墨烯转移至去离子水中；覆盖石墨烯至微纳光纤后采用加热烘烤方案；将样品固定后，使用三维平移台确定耦合器以及棱镜位置；随后对其封装成器件；对该器件输入信号光以及泵浦光，从而获取调制。

本发明公开一种空间正交的全光调制器件的制备及使用方法，包括以下步骤：

步骤一、利用火焰加热法对单模光纤进行拉制，制作的微纳光纤足够细以使得倏逝波占比足够大；

步骤二、在微纳光纤上覆盖一定长度的石墨烯；

步骤三、将步骤二的光纤与两个FC接头，一个透镜组装成型；

步骤四、对该三端器件输入泵浦光及信号光；

步骤五、根据三端器件输出端口获得的光谱，测量调制后带宽、深度以及响应时间。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、由于采用的是空间全光调制方案，石墨烯与泵浦光作用时间不影响该调制器的响应速度，因而从理论上分析，这种调制速度比已有的调制器都快；

2、由于采用空间聚焦泵浦光至石墨烯的方案，所以对于不能通过微纳光纤的长波长信号而言，仍可作为泵浦光，因此该调制器的泵浦光源的选择性比已有的全光调制器更广，理论上可以认为任意波长的光源都可以作为泵浦光。

3、由于泵浦光垂直入射，不在常规光纤传输，因此输出端获得的光谱中仅包含信号光，不需要光学滤除泵浦光。

附图说明

图1是本发明一种空间正交的全光调制三端器件的制作及使用流程图；

图2是本发明一种空间正交的全光调制三端器件的器件示意图；

图中：A为信号光的输入端口，B为泵浦光的输入端口，C为输出端口，D为涂覆石墨烯的微纳光纤；

图3是验证该三端口调制器件输出端信号光干净而不存在泵浦光的调制图；

图4是本发明一种空间正交的全光调制三端器件的信号光功率随泵浦光能量变化的调制效果图；

图5是本发明一种空间正交的全光调制三端器件的时间响应图；

图中：泵浦光频率为1.5kHz。

具体实施方式

一种空间正交的全光调制三端器件的制备以及使用，包括以下步骤；

步骤一、采用火焰加热熔融方法对单模光纤进行拉伸，使用到的单模光纤型号为SMF-28e(R)，拉制前单模光纤包层直径125μm，纤芯直径8.2μm，拉制后微纳光纤直径约为7μm。

步骤二、对Supermarket铜基底石墨烯膜¹³C旋涂PMMA，并采用湿法转移方法将石墨烯转移到去离子水中，对微纳光纤覆盖带有PMMA的石墨烯，晾干后，100℃烘烤40分钟，然后丙酮浸泡约5分钟，去掉PMMA。

步骤三、将步骤二的光纤与两个FC接头，一个透镜组装成型，对此三端器件进行固定形成可用的三端器件。

步骤四、对该三端器件输入泵浦光及1047~1096nm的ASE信号光进行实验测试。在实际使用该三端器件的过程中，泵浦光源的波长不受限定，可选择任意波长的光源进行泵浦，均可以实现调制效果。光源为脉冲信号时，进行实验可获得响应时间。

步骤五、根据三端器件输出端口所获得的光谱，测量调制后信号光的带宽深度约6dB,加大泵浦源可获得更深调制深度，本器件目前最大调制深度为15dB，目前搭建的平台可测得的响应时间为ms级，但根据实际原理可知本器件响应时间为几百GHZ级别，要比目前已知的调制器速率更快。

Claims (8)

1.一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于采用空间耦合泵浦光的方式对信号光进行调制，包括以下步骤：

S101利用火焰加热法对单模光纤进行拉制，制作的微纳光纤足够细以使得倏逝波占比足够大；

S102在S101微纳光纤上覆盖一定长度的石墨烯；

S103将S102成品与两个FC接头，一个透镜组装成型；

S104对该三端器件输入泵浦光及信号光；

S105根据三端器件输出端口所获得的光谱，测量调制后带宽、深度及响应时间。

2.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述单模光纤为SMF28e(R)。

3.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述微纳光纤直径约7微米，长度约1厘米。

4.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述石墨烯长度在800微米到1000微米。

5.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述泵浦光的波长选择性广泛，任意波长的光源都可作为泵浦源实现调制。

6.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述工作带宽足够宽，300nm到6μm的范围。

7.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述响应时间极快，为几个飞秒，而光学长度近似为零，响应时间不受石墨烯长度影响。

8.根据权利要求1所述的一种空间正交的全光调制三端器件，其特征在于所述调制后信号光相当干净，输出端不会引入泵浦光。