CN108459449B - 基于石墨烯光纤的全光调制器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯光纤的全光调制器及其方法。本发明所述光调制器包括光纤和石墨烯两部分构成。利用石墨烯光泵浦原理：没有泵浦光时，信号光被石墨烯吸收，信号光不能通过调制器。反之，当短波长泵浦光激发石墨烯电子到导带，由于泡利不相容原理，长波长信号光无法激发电子，从而不被石墨烯吸收因此直接通过调制器。泵浦光和信号光同时通过该调制器，通过调制泵浦光的强度可以调制信号光光强，达到全光调制效果。该调制器尺寸小，工作频带宽，工作范围广，响应速度快(理论可达500GHz)，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

基于石墨烯光纤的全光调制器及其调制方法
技术领域
本发明属于光通信,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两倍费米能级改变量，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。
光波导纤维简称光纤，是由玻璃或塑料制成的纤维。常见的光纤，其中间是较高折射率的纤芯，外层是较低折射率的包层，最外层是塑料材质的涂覆层。这种光纤是实芯光纤，按照传播模式分为单模光纤和多模光纤。将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤或者单孔光纤。空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输等领域。多孔光纤是近些年研究比较火热的方向。一般来讲，多孔光纤(Porous Fiber)通过合理安排光纤内孔的大小，间距和数目可以制作成各种特殊用途的光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)，比如无截止单模光子晶体光纤，高非线性光子晶体光纤，保偏光子晶体光纤等。光子晶体光纤可以直接熔接到标准单模或多模光纤上；光子晶体光纤可以应用于超连续白光光源，光学相干层析技术(OCT)；拉曼放大激光器；光参量放大光路，通信器件；波长转换等等领域。
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，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纤的全光调制器及其调制方法。
一种基于石墨烯带孔光纤的全光调制器，所述调制器包括光纤，在所述光纤的部分表面上设置有石墨烯。其中光纤可以是半刨型光纤、单孔光纤或者多孔光纤,光纤纤芯可以是空芯也可以是实芯。石墨烯覆盖在带孔光纤孔的内壁或者光纤表面，或者两者同时被石墨烯覆盖。石墨烯覆盖在半刨型光纤的接近纤芯的刨面部分。
一种采用上述的基于石墨烯的全光调制器的调制方法，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。
本发明实现石墨烯带孔光纤全光调制器，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石墨烯光纤全光调制器工作示意图；
图2石墨烯全光调制原理图；
图3石墨烯半刨型光纤(一)；
图4石墨烯半刨型光纤(二)；
图5石墨烯单孔光纤截面图；
图6石墨烯多孔光纤截面图。
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。
全光调制器工作光路如图1所示，泵浦光和信号光分别经过两个光路，由一个耦合器合束通过石墨带孔光纤全光调制器，并从该调制器后面的光路输出。其中，泵浦光和信号光所在的两个光路可以是光纤或者自由空间光光路，优选包括光纤1和光纤2所在的光路；泵浦光和信号光全束后通过光纤3所在的光路，由光纤3将光信号导入到全光调制器后由光纤4将调制后的光信号输出。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，如图2左图所示；反之，当泵浦光不经过所述光调制器或者处于“关”状态时，则信号光经过光调制器并激发石墨烯的电子，信号光被石墨烯吸收，从而信号光不通过光路，此时光路处于“关”的状态，如图2右图所示。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3所示为光纤侧面图，一般而言，光纤在轴向方向或长度方向上具有矩形的侧面，而其横截面(径向)则可以为圆形、半圆形或者半刨型。
如图4所示为半刨型光纤，半刨型光纤的制备过程如下：将具有圆形横截面的光纤沿轴向切除横截面劣弧对应的一部分，其中，所述光纤具有包层以及位于包层内的纤芯，在切除时应保证纤芯的完整性，即不能切除到纤芯所在的区域。在切除上述光纤后形成的半刨型光纤的轴向方向形成一个矩形或者弧形的切除面或刨面，石墨烯可以覆盖在半刨型光纤的接近纤芯的刨面部分和/或光纤外壁，特别是覆盖在该刨面表面。
如图5所示为单孔光纤，单孔光纤具有横截面为圆环形的包层以及位于包层内的纤芯，所述纤芯为一个轴向的通孔或在通孔内填充有不同于包层的其他介质。在单孔光纤的孔内壁或者光纤外壁覆盖石墨烯，两者同时或者某一个覆盖有石墨烯。
如图6所示为多孔光纤，多孔光纤具有横截面为圆环形的包层以及位于包层内的纤芯，所述纤芯为多个轴向的通孔或在通孔内填充有不同于包层的其他介质，多孔光纤的孔的数目大于等于两个，在多孔光纤每个孔的内壁均覆盖有石墨烯。
上面所述的光纤纤芯可以是实芯，可以是空芯，或者空纤芯填充有其他物质。
半刨型光纤、单孔光纤或者多孔光纤的孔内壁或光纤外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。
所述石墨光纤全光调制器的石墨烯厚度从1层到20层。
利用石墨烯带孔光纤全光调制器进行全光调制的方法如下：
1，如图1所示光路中。泵浦光和信号光分别通过光纤1和光纤2，并由耦合器合束成一束光通过光纤3。
2，光纤3和光纤4分别与石墨烯带孔光纤全光调制器的入射和出射端对准耦合，使光路通畅。
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，光纤4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，信号光从光纤4输出，信号光处于“开”状态。
5，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。
以上光纤光路可以直接替换成自由空间光光路，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 (3)

1.一种采用基于石墨烯的全光调制器的调制方法，其特征在于，所述调制器包括光纤，在所述光纤的部分表面上设置有石墨烯；所述光纤为单孔光纤或者多孔光纤，石墨烯覆盖在光纤孔的内壁，或者在光纤孔的内壁和光纤表面同时覆盖有石墨烯；所述光纤横截面为圆形、半圆形或者半刨型；
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；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；通过泵浦光来调制信号光的信号；
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)减弱泵浦光强直至关闭泵浦光，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)打开泵浦光并逐渐增强泵浦光，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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，石墨烯层数在1层到20层之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泵浦光为连续脉冲光。
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