CN108388061A - 基于石墨烯光波导的全光调制器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于石墨烯光波导的全光调制器及其调制方法，所述调制器包括光波导，在所述光波导的部分表面上设置有石墨烯。所述全光调制器具有尺寸小，工作频带宽，工作波长范围大，响应速度快，与光纤光路系统耦合方便，有利于光集成等特点，可广泛应用于光纤通信、传感器，激光雷达,光集成系统，全光通讯等领域。

Description

基于石墨烯光波导的全光调制器及其调制方法

技术领域

本发明属于光通讯,传感技术及光学器件领域,涉及一种光学器件，特别是涉及一种全光调制器及其方法。

背景技术

光调制器是一种重要的光学器件，用于调节光强，光相位和光偏振等参量。光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，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，一般可分为声光调制器，电光调制器、热光调制器、全光调制器等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的声光效应，电光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。其中(1)电光调制器是通过电压改变晶体折射率达到改变输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。(2)磁光调制器是利用光通过磁光晶体(如钇铁石榴石)时，在磁场作用下其偏振面可发生旋转实现光调制；(3)声光调制器是利用材料(如铌酸锂)在声波作用下产生应变而引起折射率变化即光弹效应实现光调制；(4)全光调制器是利用一束光去改变介质材料折射率，吸光率等参量从而控制另一束光的光强，相位和偏振等光学参量的目的的一种光调制器。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。

石墨烯是一种由碳元素构成的二维材料，单层石墨烯只有大约0.3纳米厚度。石墨烯具有非常优异的电学，光学和热学性质，同时它还有比钻石更高的机械强度，比铜和银更高的导电性，以及非常好的导热性和热稳定性。它的电子能带结构呈现锥形，是一种半金属或者零带隙半导体材料，所以具有非常好的导电性。它在可见和红外光波段透射率约高达97.7％，也就是说在很宽的光谱范围仍然具有恒定的吸光率(≈2.3％)。通过场效应晶体管的栅压调控技术或者光泵浦技术，可以使石墨烯价带的电子激发到导带。由于泡利不相容原理，如果入射的光子能量小于2倍费米能级改变量，则该光子不能被吸收，价带的电子不能被激发到导带，此时石墨烯被漂白，即理论上透射率变为100％。反之，如果价带电子没被激发到导带，或者入射光光子能量大于2倍费米能级改变量，则该光子仍能被吸收，石墨烯吸光率仍约为2.3％。并且根据文献报道(Liu M,Yin X,Ulinavila E,et al.A graphene-based broadband optical modulator[J].Nature,2011,474(7349):64-67)理论上石墨烯光吸收调制速度能高达500GHz，主要受限于石墨烯的质量和载流子浓度。

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤。平面介质光波导是最简单的光波导，它是用折射率为n₂的硅(或砷化镓，或玻璃)作基片，用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n₁的介质膜，再加上折射率为n₃的覆盖层(或者空气层)制成。通常取n₁>n₂>n₃，以便将光波局限在介质膜内传播。条形介质光波导是在折射率为n₂的基体中产生一个折射率为n₁的长条，取n₁>n₂，以便将光波局限在长条内传播。这种光波导常用作光的分路器、耦合器、开关等功能器件。

光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。这种材料因为具有光子带隙而能够阻断特定频率的光子，从而影响光子运动的,这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。光子晶体在光纤通信领域中最吸引人的应用的光子晶体光纤和二维光子晶体波导。前者是通过在光子晶体中心引入一个缺陷,并把有中心缺陷的光子晶体延伸便构成传输光的光子晶体光纤；而二维光子晶体光波导是通过在二维光子晶体中引人一个线性缺陷便可构成光子晶体光波导,光被限制在此线缺陷中传输。光子晶体波导结构有两种形式，一种是介质棒形成的周期结构，介质棒之间是空气。另一种结构形式是由空气孔形成周期结构,空气孔形成于悬浮的介质薄膜上。光子晶体具有控制光传播的潜力。在光子晶体中引入线性缺陷,便可构成光子晶体波导,其不仅能实现低的传输损耗,而且还能支撑极小的弯曲半径。这种波导可以构成分支波导和交叉波导。这些波导是构造平面光波回路和器件的重要元件。由光子晶体制作的光波导和器件,具有极小的尺寸并具有常规波导和器件的性能。【廖先炳，光子晶体技术—光子晶体光波导，Semiconductorelectronic,2003 24.3】

目前，光调制器主要是利用电光晶体和声光晶体的通过电信号或者超声波改变晶体结构等参数进而调节光信号。电光调制器和声光调制器体积较大，并且响应速度受限于晶体的电学响应和声学响应，最高几个吉赫兹(GHz)量级。而石墨烯光调制速度理论可达500GHz，工作波长可从紫外到微波范围。那么，发明一种体积小，调制速度高，工作波长范围广，利于集成化的全光调制器对于光学和光电子学器件和系统的应用和发展都很有必要。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于石墨烯光波导的全光调制器及其方法。

一种基于石墨烯光波导的全光调制器，所述调制器包括光波导，在所述光波导的部分表面上设置有石墨烯。

光波导为常见的带状介质波导，平面(薄膜)介质波导，光子晶体波导。石墨烯覆盖这带状介质波导和平面(薄膜)介质波导的芯区表面。石墨烯覆盖在光子晶体周期性结构的各个表面，特别是在线缺陷附近的结构单元的表面。

一种基于石墨烯光波导的全光调制器工作的方法。所述光调制器包括光波导和石墨烯两部分构成。其中所述全光调制器工作过程如下：

泵浦光和信号光分别经过两个光路(譬如光纤)，由一个耦合器合束通过石墨光波导的芯区或者光子晶体线缺陷，并从该调制器后面的光路输出。该全光调制器利用了石墨烯光泵浦效应。工作时，当波长较短的泵浦光通过所述光调制器时，泵浦光被吸收并激发电子到导带，由于泡利不相容原理，波长较长的信号光则无法激发电子因而不被吸收，所以信号光将通过光纤，此时光路处于“开”的状态；反之，当泵浦光光不经过所述光调制器时，信号光激发石墨烯电子，信号光被石墨烯吸收，从而不通过光路，此时光路处于“关”的状态。这样就可以通过调节泵浦光的开关，进而可以控制信号光的开关。

本发明实现石墨烯光波导的全光调制器，具有尺寸小，工作频带宽，工作波长范围大，响应速度快，与光纤光路系统耦合方便，有利于光集成等特点，可广泛应用于光纤通信、传感器，激光雷达,光集成系统，全光通讯等领域。

附图说明

图1石墨烯光波导的光调制器工作示意图；

图2石墨烯带状介质光波导示意图；

图3石墨烯平面(薄膜)介质光波导示意图；

图4石墨烯光子晶体波导示意图(一)；

图5石墨烯光子晶体波导示意图(二)；

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。

图1为全光调制器工作光路，泵浦光和信号光分别经过两个光路1、2(譬如光纤)，由一个耦合器(如合束镜)合束通过石墨光波导的芯区或者光子晶体线缺陷，并从该调制器后面的光路4输出。该全光调制器利用了石墨烯光泵浦效应。工作时，当波长较短的泵浦光通过所述光调制器时，泵浦光被吸收并激发电子到导带，由于泡利不相容原理，波长较长的信号光则无法激发电子因而不被吸收，所以信号光将通过光纤，此时光路处于“开”的状态；反之，当泵浦光光不经过所述光调制器时，信号光激发石墨烯电子，信号光被石墨烯吸收，从而不通过光路，此时光路处于“关”的状态。这样就可以通过调节泵浦光的开关，进而可以控制信号光的开关。

图2所示为石墨烯带状介质光波导，其包括基底，所述基底可以由砷化镓，或玻璃等材料制备，其具有n₂的折射率，其可以具有正方形、长方形或其他适合的横截面。在基底的上表面设置一个条形凹槽，凹槽的深度小于基底的厚度，凹槽从基底的左端面和右端面露出。在所述凹槽中设置折射率为n₁的介质膜作为芯区，可以通过微电子工艺等方法形成所述介质膜。所述介质膜的左端面、右端面及顶面分别与基底的左端面、右端面及顶面平齐。在基底顶面上还设置有石墨烯，石墨烯至少覆盖整个芯区的上表面，可以覆盖整个基底的上表面。通常取n₁>n₂，以便将光波局限在介质膜内传播。

图3所示为石墨烯平面(薄膜)介质光波导，其包括基底，所述基底可以由砷化镓，或玻璃等材料制备，其具有n₂的折射率，其可以具有正方形、长方形或其他适合的横截面。在基底的上表面设置折射率为n₁的介质膜作为芯区，可以通过微电子工艺等方法形成所述介质膜。所述介质膜的四个侧面分别与基底的四个侧面平齐。在介质膜顶面上还设置有石墨烯，石墨烯至少覆盖整个芯区的上表面。通常取n₁>n₂，以便将光波局限在介质膜内传播。

在上述带状介质光波导或平面(薄膜)介质光波导中，光子晶体波导表面壁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。

图4所示为石墨烯光子晶体波导示意图(一)，其为柱状结构单元所形成的光子晶体波导，具体而言，所述石墨烯光子晶体波导包括底座，以及在底座上表面设置的柱状结构单元，所述柱状结构单元为在底座的长度方向上设置的至少2列柱状结构单元，在所述至少2列柱状结构单元之间形成至少1个线缺陷，光被限制在此线缺陷中传输。所述柱状结构单元具有圆柱形截面，且其轴向垂直于底座上表面，在柱状结构单元的所有表面上均设置有石墨烯。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。

图5所示为石墨烯光子晶体波导示意图(二)，其为孔状结构单元所形成的光子晶体波导，具体而言，所述石墨烯光子晶体波导包括底座，以及在底座内设置的孔状结构单元，所述孔状结构单元为在底座的长度方向上设置的至少2列孔状结构单元，在所述至少2列孔状结构单元之间形成至少1个线缺陷，光被限制在此线缺陷中传输。孔状结构单元为从底座上表面贯穿到下表面形成的通孔，其具有圆柱形截面，且其轴向垂直于底座上表面。在孔状结构单元的所有表面上均设置有石墨烯。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。

上面所述石墨光波导的石墨烯厚度从1层到20层。

1，采用图2-5所示的石墨烯光波导进行全光调制的方法包括如下步骤：泵浦光和信号光分别通过光路1和光路2，并由耦合器合束成一束光通过光路3，通过石墨烯光波导全光调制器，然后从光路4输出。

2，减弱泵浦光强或关闭泵浦光，此时信号光被所述调制器吸收，光路4没有信号光输出，信号光处于“关”状态。

3，打开泵浦光或增强泵浦光，此时所述调制器吸收泵浦光，而不吸收信号光，信号光从光路4输出，信号光处于“开”状态。

4，连续调制泵浦光强度，比如连续脉冲光，可以连续调制信号光强，达到全光调制效果。

以上自由空间光光路可以替换成其他形式的光路，比如光纤光路等，涵盖在本发明实施例和保护范围。

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，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种基于石墨烯的全光调制器，其特征在于，所述调制器包括光波导，在所述光波导的部分表面上设置有石墨烯。

2.根据权利要求1所述的调制器，其特征在于，所述光波导为带状介质光波导、平面介质光波导或光子晶体波导。

3.根据权利要求1或2所述的调制器，其特征在于，石墨烯层数在1层到20层之间。

4.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于，所述光波导为带状介质光波导，所述带状介质光波导包括基底，在基底的上表面设置一个条形凹槽，在所述凹槽中设置介质膜作为芯区，在基底顶面上还设置有石墨烯，所述石墨烯至少覆盖整个芯区的上表面。

5.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于，所述光波导为平面介质光波导，所述平面介质光波导包括基底，在基底的上表面设置介质膜作为芯区，在介质膜顶面上还设置有石墨烯，石墨烯至少覆盖整个芯区的上表面。

6.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于，所述光波导为光子晶体波导，所述光子晶体波导包括底座，以及在底座上表面设置的柱状结构单元，在柱状结构单元的表面上均设置有石墨烯。

7.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于，所述光波导为光子晶体波导，所述光子晶体波导包括底座，以及在底座内设置的孔状结构单元，在孔状结构单元的表面上均设置有石墨烯。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的基于石墨烯的全光调制器的调制方法，其特征在于，使用两束波长不同的光，同时通过所述调制器，并通过其中一束光调制另一束光的信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，两束波长不同的光包括泵浦光和信号光，其中，泵浦光的波长比信号光的波长更短。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过泵浦光来调制信号光的信号。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

1)泵浦光和信号光分别通过第一光路和第二光路，并由耦合器合束成一束光通过第三光路；

2)设置第四光路，第三光路和第四光路分别与所述调制器的入射端和出射端对准耦合；

3)减弱泵浦光强或关闭泵浦光，此时信号光被所述调制器吸收，第四光路没有信号光输出，信号光处于“关”状态；

4)打开泵浦光或增强泵浦光，此时所述调制器吸收泵浦光，而不吸收信号光，信号光从第四光路输出，信号光处于“开”状态；

5)连续调制泵浦光强度，可以连续调制信号光强，达到全光调制效果。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述泵浦光为连续脉冲光。