CN108535892A - 石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型的石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。该器件在光子晶体光纤表面和内壁覆盖石墨烯薄膜，在光纤内部充入离子液体与电极接触制成离子液体电极，通过调节电压改变石墨烯费米能级进而调控光在石墨烯光纤的透过率，最终实现电光调制。本发明采用石墨烯光子晶体光纤以及离子液体电极技术，与其他类似的石墨烯电光调制器相比有更高的工作带宽，调制效率和更低的能量损耗。本发明提供的新型石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器具有工作频带宽，调制效率高，能量损耗低，制作工艺简单，与光纤光路系统耦合方便，利于光电系统集成，在光纤通信，传感器和光互联系统等领域有广阔的应用前景。

Description

石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器
技术领域
本发明属于光通讯，传感技术及其光电子技术领域，涉及一种石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。
背景技术
电光调制器是利用材料的电光效应制成的调制器件，通过控制电场改变材料的折射率或者吸收率等特性，从而改变输出光波的相位或者强度，在光通信和激光雷达系统中应用广泛。目前，光纤通信电光调制器主要是利用光波导结构或光纤结构对1550nm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。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角蜂巢形二维平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯具备超乎优异的光学、电学，热学及机械性质，例如非线性极化率高达10-7esu，常温载流子迁移率超过15000cm2v-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；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石。这些优异的光电特性使石墨烯成为理想的饱和吸收体，具有宽波带、超快响应、以及低饱和吸收强度等优点，在锁模或调Q脉冲激光器等电光调制技术领域具有广阔的应用前景。
离子液体电压调控技术是一个有效调节低维材料的载流子浓度和电场强度的技术，在电子和电化学器件中用途广泛。离子液体是完全由离子(通常为含氮有机阳离子和无机阴离子)组成的高度极化且具有低熔点的二元盐类。离子液体具有热与化学稳定性高、非易失性、无毒性等特点，并且在较宽的温度范围内都是液态。离子液体还可以实现在其电化学窗口内的高电压，而不会产生氧化还原反应。离子液体的相对介电常数大概在1-10之间,而其介电层的厚度可小到几纳米,电容可达到约10μFcm-2(比300nm厚二氧化硅介质层的电容大三个量级)，因此调控低维材料的载流子浓度最高可达到1015cm-2(比二氧化硅介质层调控大两个数量级)。而且，离子液体只需要几伏特的电压就可以调控材料的载流子浓度，而二氧化硅介电层需要几十上百伏特电压。因此，离子液体作为电光器件电极材料具有高效，低损耗等优点。
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而实现控制激光开关的功能。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至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，从而出现可饱和吸收或吸收漂白现象，此时石墨烯不吸收激光，激光完全“打开”。反正，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，此时石墨烯吸收激光，激光被“关断”。在激光调制过程中，输出光功率在开状态和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，因此必须设计特殊的石墨烯光纤结构提高调制消光比，和特殊器件结构降低调制电压和功耗，用以满足高调制效率，低损耗的电光调制器的要求。
发明内容
本发明目的是提供一种宽频带、高调制效率和低损耗的石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。
一种石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器，其特征在于，所述光子晶体光纤包括空气孔，在表面覆盖石墨烯薄膜的所述空气孔内充满离子液体，在光子晶体两端形成电极从而得到所述电光调制器。
一种制备石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器的方法，其特征在于，所述光子晶体光纤包括空气孔，在表面覆盖石墨烯薄膜的所述空气孔内充满离子液体，在光子晶体两端形成电极从而得到所述电光调制器。
本发明提供的石墨烯光子晶体光纤电光调制器，通过如下技术方案实现：
1)在一段裸光子晶体光纤(101)所有表面以及光纤内空气孔内壁完全覆盖连续的石墨烯薄膜(102)，获得石墨烯光子晶体光纤；
2)在步骤1)所述石墨烯光子晶体光纤内部充满离子液体(201)；
3)在步骤1)所述光纤石墨烯薄膜(102)上制备金属电极(301)及引线；
4)在单侧开口的圆柱玻璃(401)内壁镀金属电极(302)以及引线，并注入适量离子液体。用此玻璃圆柱套在步骤1)所述光纤的另一端，使玻璃圆柱内的离子液体与光纤内的离子液体接触，并且与金属电极(302)充分接触。
5)将步骤3)所述的金属电极(301)接地，金属电极(301)和金属电极(302)分别连接至电压源，得到所述石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。通过调节电压可改变石墨烯的费米能级进而调节光纤的激光透过率，最终实现电光调制功能。
本发明实现石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器，具有尺寸小和功耗小，工作频带宽，调制效率高，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、传感器和激光雷达系统等领域。
附图说明
图1为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的结构示意图；
图2为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的剖面图；
图3为本发明所述石墨烯光子晶体光纤的电子显微镜照片；
图4为本发明所述电光调制器的器件实施例一示意图。
图5为本发明所述电光调制器的器件实施例二示意图。
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。
图1所示为石墨烯覆盖的光子晶体光纤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102，在光纤两端和光纤圆柱表面也设置有单层或多层石墨烯薄膜，光纤两端和光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜与多个空气孔内部表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互连接成连续的一体。其中，石墨烯薄膜厚度均匀，且层数为1-10层。
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一般包括如下步骤：
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。
对于多孔光纤而言，可以是在光纤的主体中具有多层沿轴向均匀分布的多个尺寸相同的空气孔，而其中没有大的中心孔，如图2(a)所示。多孔光纤也可以是具有一个较大的中心空气孔，中心空气孔的轴心与光纤主体的轴心重合，在中心空气孔的周围具有多层沿轴向均匀分布的多个尺寸相同的空气孔，这些空气孔的内径较中心空气孔的内径小，如图2(b)所示。在多孔光纤的空气孔内表面、光纤两端表面、光纤外表面均生长有石墨烯，且所有表面的石墨烯连成一个连续的石墨烯薄膜。对于单孔光纤而言，在光纤主体的中心具有一个中心空气孔，在光纤主体无其他空气孔，如图2(c)所示。在单孔光纤的空气孔内表面、光纤两端表面、光纤外表面均生长有石墨烯，且所有表面的石墨烯连成一个连续的石墨烯薄膜。
实施例1
制备石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器的方法包括如下步骤：
1)用化学气相沉积法在一段约3cm的全反射光子晶体光纤的表面和内壁上生长连续的石墨烯薄膜(102)制备石墨烯光子晶体光纤，如图1和图2所示为结构示意图和截面示意图，图3所示为扫描电子显微照片；
2)在步骤2)所述石墨烯光纤的右端制作金属Au电极(301)以及引线；
3)在步骤1)所述石墨烯光子晶体光纤内部充满离子液体(201)(1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐溶液,简写[BMIM][PF6])。
4)在单侧开口的圆柱玻璃(401)内壁制作Au电极(302)及引线，并注入适量离子液体(201)。
5)用此圆柱玻璃密封步骤1)所述光纤的左端，防止离子液体流出。金属电极(302)与离子液体充分接触，形成离子液体电极。
6)将步骤3)所述的金属电极(301)接地，金属电极(301)和金属电极(302)分别连接至电压源，得到所述石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。通过调节电压可改变石墨烯的费米能级进而调节光纤的激光透过率，最终实现电光调制功能。其结构分别如图4所示。
实施例2
制备石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器的方法包括如下步骤：
1)用化学气相沉积法在一段约5cm的空芯带隙光子晶体光纤的表面和内壁上生长连续的多层(2-10层)石墨烯薄膜(102)制备石墨烯光子晶体光纤，如图1和图2所示为结构示意图和截面示意图。
2)用掩膜刻蚀方法将上述石墨烯光子晶体光纤表面的石墨烯薄膜打断，得到光纤左端无石墨烯薄膜的结构；
3)在步骤2)所得无石墨烯薄膜的光纤左端和有石墨烯薄膜的光纤右端表面分别制备Pb/Au金属电极(303)和金属电极(301)及引线；
4)在步骤3)所述墨烯光子晶体光纤内部充满离子液体(202)(1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺,简写[EMIM][TSFI])。
5)在单侧开口的圆柱玻璃(401)注入适量离子液体(202)。
6)用此玻璃圆柱密封步骤1)所述光纤的左端，防止离子液体流出。金属电极(303)与离子液体充分接触，形成离子液体电极。
7)将步骤3)所述的金属电极(301)接地，金属电极(301)和金属电极(303)分别连接至电压源，得到所述石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。通过调节电压可改变石墨烯的费米能级进而调节光纤的激光透过率，最终实现电光调制功能。其结构分别如图5所示。
需要说明的是，虽然实施例1和实施例2对制备石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器的方法作了示范性的说明，但是其中电极为金属或合金材料，可以为Au，也可以是例如Pt、Ag、Cu、Al、Fe或Cr/Au双层膜(即先镀一层Cr，再镀一层Au，下述双层膜类似)、Ti/Au、Pt/Au、Pb/Au双层膜，或者导电银胶。其中，光子晶体光纤是全内反射光子晶体光纤，光子带隙光子晶体光纤或单孔空芯光纤中的至少一种。
所用离子液体的形式是多种的。可以是下面的一种或几种：磷酸缓冲盐溶液(简写PBS，主要成分是Na2HPO4、KH2PO4、NaCl和KCl)；二(三氟甲基磺酰)锂(Li-TFSI)；高氯酸钾(KClO4)；高氯酸锂(LiClO4)；
可以是由以下阴、阳离子组合成的离子液体，阳离子或阴离子是以下一种或多种：
阳离子(简写-英文名称-中文名称)：
AAIM 1,3-diallylimidazolium 1,3-二烯丙基咪唑阳离子
AEIM 1-allyl-3-ethylimidazolium 1-烯丙基-3-乙基咪唑阳离子
BMIM 1-butyl-3-methylimidazolium 1-丁基-3-甲基咪唑阳离子
BMMIM 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium 1-丁基-2,3-二甲基咪唑阳离子
DEME N,N-diethyl-N-methyl(2-methoxyethyl)ammoniumN,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧乙基)铵基阳离子
EMIM 1-ethyl-3-methylimidazolium 1-乙基-3-甲基咪唑阳离子
EMMIM 1-ethyl-2,3-dimethylimidazolium 1-乙基-2,3-二甲基咪唑阳离子
HMIM 1-hexyl-3-methylimidazolium 1-己基-3-甲基咪唑阳离子
OMIM 1-octyl-3-methylimidazolium 1-辛基-3-甲基咪唑阳离子
PP13(MPPR) N-methyl-N-propylpiperidinium N-甲基-N-丙基哌啶烷阳离子
P13 N-methyl-N-propylpyrrolidinium N-甲基-N-丙基吡咯烷阳离子
P14 N-butyl-N-methylpyrrolidinium 1-丁基-1-甲基吡咯烷阳离子
TMPA(TPA) N,N,N-trimethyl-N-propylammonium N,N,N-三甲基-N-丙基铵盐阳离子
阴离子(简写-英文名称-中文名称)：
BETI bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide 双(五氟乙磺酰基)酰亚胺根
BF4 tetrafluoroborate 四氟硼酸根
DCA dicyanamide 二氰胺根
FAP tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate 三(五氟乙烷基)三氟磷酸根
FSI bis(fluorosulfonyl)imide 双(氟磺酰基)酰亚胺根
OctOSO3 n-octylsulfate n-辛基硫酸根
OTf trifluoromethanesulfonate 三氟甲磺酸根
PF6 hexafluorophosphate 六氟磷酸根
TCB tetracyanoborate 四氰硼酸根
TFSI bis(trifluoromethylsulfonyl)imide 双(三氟甲磺酰基)酰亚胺根。
所述离子液体还可以是混合以下聚合物溶剂制成的离子液体凝胶：聚环氧乙烷(Poly(ethylene oxide)，简称PEO)，三嵌段聚合物[PS-PMMA-PS]，三嵌段聚合物[PS-PEO-PS](其中P表示聚合物，S表示苯乙烯，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，PEO为聚环氧乙烷)。
所述单侧开口的圆柱玻璃具有封装离子液体和底部透光功能，该玻璃的形状可以是多种的。底部可以是平面的或者光学透镜形的，侧壁可以是任意形状的。
所述单侧开口的圆柱玻璃和其内壁的金属电极构成液态电极的固体接触部分，具有与外部电路导通的功能，其材质和结构可以是多种的。该玻璃可以是“氧化铟锡透明导电膜玻璃”(简称ITO导电玻璃)，则不需要制作金属电极；该玻璃可以是普通透明玻璃，在其内壁或(和)外壁部分面积(或全部面积)上制作金属电极；该玻璃可以是底部为透明玻璃，侧壁部分或全部为金属的组合形式。
所施加的电压大小在离子液体电化学窗口范围内，不使离子液体发生电化学反应。
石墨烯光纤左端无石墨烯薄膜并且在其上制作电极，该电极不与光纤内部石墨烯电学连通防止短路。故该电极可以直接制作在无石墨烯的光纤表面，也可以制作在有石墨烯的光纤表面，但该段石墨烯不与光纤内部石墨烯电学连通防止短路。
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 (11)

1.一种石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器，其特征在于，所述光子晶体光纤包括空气孔，在表面覆盖石墨烯薄膜的所述空气孔内充满离子液体，在光子晶体两端形成电极从而得到所述电光调制器。
2.根据权利要求1所述的调制器，其特征在于，所述调制器包括一其中一端开口的圆柱形容器，所述容器内径大于所述光子晶体光纤外径，所述容器的开口容纳光子晶体的第一端并将所述第一端密封；优选的是，所述容器内装有一定量离子液体；优选的是，所述容器的材料为玻璃。
3.根据权利要求1-2任一项所述的调制器，其特征在于，在所述光子晶体光纤的空气孔内表面、所述光纤两端表面和光纤圆柱表面均覆盖石墨烯薄膜，且光纤两端表面、光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜与所述空气孔内表面覆盖的石墨烯薄膜之间相互连接成连续的一体。
4.根据权利要求3所述的调制器，其特征在于，所述电极包括在所述容器内壁设置的第一电极，所述电极还包括设置于光子晶体的与第一端相对的第二端设置的第二电极，所述第二电极与邻近第二端的光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜电连接，在第一电极与第二电极之间设置电压源；优选的是，所述第二电极接地。
5.根据权利要求2所述的调制器，其特征在于，在所述光子晶体光纤的空气孔内表面、和所述光纤与第一端相对的第二端表面均覆盖石墨烯，在邻近所述第二端的部分光纤圆柱表面同样覆盖石墨烯，且所述空气孔内表面覆盖的石墨烯薄膜与部分光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜通过第二端表面覆盖的石墨烯薄膜连接成连续的一体；优选的是，在邻近第一端的部分光纤圆柱表面覆盖石墨烯薄膜，其中，邻近第一端的部分光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜不与邻近所述第二端的部分光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜电连接；优选的是，在所述光纤的第一端表面不覆盖石墨烯。
6.根据权利要求5所述的调制器，其特征在于，所述电极包括在邻近第一端的部分光纤圆柱表面设置的第一电极，所述电极还包括设置于光子晶体的与第一端相对的第二端设置的第二电极，所述第二电极与邻近第二端的部分光纤圆柱表面覆盖的石墨烯薄膜电连接，在第一电极与第二电极之间设置电压源；优选的是，所述第二电极接地。
7.根据权利要求1-2任一项所述的调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜层数为1层到10层之间；优选的是，光子晶体光纤是全内反射光子晶体光纤，光子带隙光子晶体光纤或单孔空芯光纤中的至少一种；优选的是，电极的材料是Au，Ag，Cu，Al，Fe，Cr/Au，Ti/Au，Pt/Au或Pb/Au及其合金，或者导电银胶。
8.根据权利要求1-2任一项所述的调制器，其特征在于，所述离子液体是以下溶液的一种或几种：磷酸缓冲盐溶液(简写PBS，主要成分是Na2HPO4、KH2PO4、NaCl 和KCl)；二(三氟甲基磺酰)锂(Li-TFSI)溶液；高氯酸钾(KClO4)溶液；高氯酸锂(LiClO4)溶液；或者
所述离子液体是由阴、阳离子组合成的离子液体，其中，阳离子包括以下的一种或几种：1,3-二烯丙基咪唑阳离子，1-烯丙基-3-乙基咪唑阳离子，1-丁基-3-甲基咪唑阳离子，1-丁基-2,3-二甲基咪唑阳离子，N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧乙基)铵基阳离子，1-乙基-3-甲基咪唑阳离子，1-乙基-2,3-二甲基咪唑阳离子，1-己基-3-甲基咪唑阳离子，1-辛基-3-甲基咪唑阳离子，N-甲基-N-丙基哌啶烷阳离子，N-甲基-N-丙基吡咯烷阳离子，1-丁基-1-甲基吡咯烷阳离子，N,N,N-三甲基-N-丙基铵盐阳离子；阴离子包括以下的一种或几种：双(五氟乙磺酰基)酰亚胺根，四氟硼酸根，二氰胺根，三(五氟乙烷基)三氟磷酸根，双(氟磺酰基)酰亚胺根，n-辛基硫酸根，三氟甲磺酸根，六氟磷酸根，四氰硼酸根，双(三氟甲磺酰基)酰亚胺根；或者
所述离子液体是混合以下聚合物溶剂的两种或多种制成的离子液体凝胶：聚环氧乙烷(Poly(ethylene oxide)，简称PEO)，三嵌段聚合物[PS-PMMA-PS]，三嵌段聚合物[PS-PEO-PS](其中P表示聚合物，S表示苯乙烯，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，PEO为聚环氧乙烷)。
9.一种制备石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器的方法，其特征在于，所述光子晶体光纤包括空气孔，在表面覆盖石墨烯薄膜的所述空气孔内充满离子液体，在光子晶体两端形成电极从而得到所述电光调制器。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在一段光子晶体光纤表面以及空气孔内壁覆盖连续的石墨烯薄膜获得石墨烯光子晶体光纤；
2)在所得石墨烯光子晶体光纤的第二端制作第二电极以及引线；
3)在所述石墨烯光子晶体光纤内部充满离子液体；
4)在单侧开口的圆柱容器内壁制作第一电极及引线，并注入适量离子液体；
5)用所述圆柱容器密封所述石墨烯光子晶体光纤的与第二端相对的第一端，防止离子液体流出，第一电极与离子液体充分接触，形成离子液体电极；
6)将第二电极接地，并与第一电极分别连接至电压源两极，得到所述石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)在一段光子晶体光纤表面以及空气孔内壁覆盖连续的石墨烯薄膜获得石墨烯光子晶体光纤；
2)用掩膜刻蚀方法将上述石墨烯光子晶体光纤表面的石墨烯薄膜打断，得到光纤第一端无石墨烯薄膜的结构；
3)在所得无石墨烯薄膜的光纤的第一端和有石墨烯薄膜的光纤的与第一端相对的第二端表面分别制备电极及引线；
4)在所述墨烯光子晶体光纤内部充满离子液体；
5)在单侧开口的圆柱容器内注入适量离子液体；
6)用所述圆柱容器密封所述光纤的第一端，防止离子液体流出，光纤第一端的电极与离子液体充分接触，形成离子液体电极；
7)将上述第二端电极接地，并且与第一端电极连接至电压源两极，得到所述石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器。
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