CN110376767B - 一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器 - Google Patents

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Abstract

一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，包括玻璃衬底，所述玻璃衬底上侧设置有去芯侧边抛磨光纤，所述去芯侧边抛磨光纤平坦区两侧设置有金属电极，所述去芯侧边抛磨光纤平坦区及所述金属电极上侧覆盖设置有石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜上层设置有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，本发明通过改变施加在两个金属电极两端的驱动电压，调控带有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的石墨烯薄膜对光纤中传输光强的吸收，从而实现波长选择的电光调制、光电探测等功能，结合了石墨烯薄膜与去芯侧边抛磨光纤波导结构，实现插入损耗低、波长选择调制、多功能化、结构简单等优点。

Description

一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器
技术领域
本发明涉及光纤器件及光通信技术领域，尤其是涉及一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器。
背景技术
功能多样化的光电器件用于光通信技术中是未来的发展趋势，基于光纤波导结构的光纤器件同时具备光电探测、强度调制、偏振控制等功能拓展了单一器件的有效利用率。石墨烯作为一种具备卓越性能的二维材料，显著的光学、电学性质，高速的载流子迁移率等特性使其在功能化光电器件中有着绝佳的表现。
目前已有的类似全光纤器件往往只能实现单一的功能。如申请号为201120571231.X的专利公开了基于D型光纤的石墨烯电光调制器。结构上在D型光纤表面敷设有石墨烯薄膜，同时，在石墨烯薄膜的一端制备有金属电极及引线，在石墨烯薄膜上镀有一层绝缘层，所述绝缘层镀设在石墨烯薄膜上金属电极及引线旁边，绝缘层为三氧化铝或其它具有高介质电常数的绝缘层，金属电极及引线为导电性电极，导电性电极是Au或Pt。此专利的不足之处在于，由于结构上的缺陷，会使器件光利用率不高，使得偏振控制和光强调制的性能表现不佳。同时，无法预估其是否具备多功能特性。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决上述问题，提供一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，结合石墨烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜与去芯侧边抛磨光纤波导结构、平行金属电极，使本发明具有波长选择的电光调制及光电探测功能而达到使用目的。
本发明采取的技术方案是，一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，所述集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器包括玻璃衬底，所述玻璃衬底上侧设置有去芯侧边抛磨光纤，所述去芯侧边抛磨光纤的平坦区两侧设置有金属电极，所述平坦区及所述金属电极上侧覆盖设置有石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜上层设置有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
在本技术方案中，使用的波导是去芯侧边抛磨光纤，去芯侧边抛磨光纤是用物理抛磨的方法使光纤的包层厚度减少到倏逝波场存在的区域，也就是磨掉光纤纤芯，形成了无纤芯结构传输光倏逝波场的“泄露窗口”。在此“泄露窗口”处，就存在利用倏逝波场来激发、控制、调制光纤纤芯中的传输光的可能。本专利使用的去芯侧边抛磨光纤相比有纤芯的侧边抛磨光纤，具有更强的消逝场,进一步增强了光纤传输光场与石墨烯薄膜耦合效率，从而增加光与石墨烯薄膜的作用强度；另外，与有纤芯的侧边抛磨光纤不同，本专利使用去芯侧边抛磨光纤传输光场与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜产生波长选择性的共振耦合，进而形成波长选择性的光场与石墨烯薄膜相互作用，进而实现本专利所提出的光波长选择性调制效果，其次，石墨烯被设置于无芯侧边抛磨光纤与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜之间，聚甲基丙烯酸甲酯薄膜比光纤折射率大，因此光纤传输光场中心被拉向聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，进而进一步增强石墨烯与传输光场之间的相互作用，增强了电光调制的调制深度与调制效率，提高本专利电光调制的性能。最后，光与石墨烯薄膜的相互作用长度由平坦区以及石墨烯薄膜的长度决定，平坦区具有可以选择任意长度的优点；本专利直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗低，本专利集成在光纤上在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的，且两金属电极位于所述平坦区两侧，上侧覆盖石墨烯薄膜，这种金属电极结构可以沿着光传输波导方向按需求长度可控的进行设计，有效长度越长，光与石墨烯薄膜耦合强度越大，这种结构被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容，起到高效控制的作用，通过将石墨烯薄膜与去芯侧边抛磨光纤直接接触，去芯侧边抛磨光纤中传播光直接与石墨烯薄膜耦合，并被石墨烯薄膜吸收发生作用。
优选地，所述平坦区的厚度为45um-50um。
优选地，所述平坦区的长度为10mm-15mm。
本技术方案中所述去芯侧边抛磨光纤平坦区的厚度及长度的选择增强了石墨烯薄膜与纤芯的作用强度，提高了倏逝光利用率。
优选地，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的厚度为400nm-3000nm。
优选地，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯。
优选地，所述金属电极的材质为金或铜或铝或铂或钼或钯。
优选地，所述两金属电极之间的距离为20um-200um。
金属电极间隔距离对于多功能器件整体的性能指标会有较大影响。一般来说，电极间隔距离有适当的较小距离，平坦区的电场强度会增大，会影响相关的性能体现。因此，通过优化金属电极间隔距离参数可以提高本专利的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的电极结构。
优选地，所述金属电极的厚度为30nm-100nm。
金属电极的厚度会对本专利整体性能有很大大影响。当其厚度尺寸减小到微米或纳米量级以下，金属电极两端微弱的电阻变化可以被灵敏地检测到，探测器的灵敏度得以显著提高。因此，通过优化金属电极厚度参数可以提高本专利整体的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的电极结构。
优选地，其特征在于，所述金属电极沿去芯侧边抛磨光纤长度为3cm-6cm,所述金属电极的宽度为0.5cm-1.2cm。
优选地，所述玻璃衬底为科研实验所用载玻片。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：去芯侧边抛磨光纤倏逝场耦合进聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，增强了与石墨烯薄膜的接触，提高了调制效率。加入调制电压时，石墨烯薄膜导电发热，使得聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的折射率发生变化，改变了耦合效率，使得石墨烯薄膜接触到倏逝场强度发生变化，改变了石墨烯薄膜对光的吸收效率，从而实现光强调制。又因为不同波长耦合效率的不同，调节电压，可以使得器件可以对高耦合效率波长进行电光调制，从而实现波长选择调制。同时波长选择的光电探测也是本研究的创新。
本专利集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，实现将波长选择的电光调制、光电探测功能集成于全光纤器件上。应用在光纤通信系统中，可极大的减小系统的复杂程度，为更高效的通信系统提供了方法。同时，全光纤的设计，实现了低插入损耗、高传输效率、高通信质量的光纤通信器件，大幅度提高了通信质量。
附图说明
图1为本发明的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器。
图2为本发明去芯侧边抛磨光纤覆盖石墨烯薄膜处的截面图。
图3为本发明电光调制性能体现示意图。
图4为本发明偏振特性体现示意图。
图5为本发明光电探测性能体现示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件，仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本发明中实施例术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1、图2所示，本发明的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器包括玻璃衬底1，所述玻璃衬底1上侧设置有去芯侧边抛磨光纤2，所述去芯侧边抛磨光纤2的平坦区3两侧设置有金属电极4，所述平坦区3及所述金属电极4上侧覆盖设置有石墨烯薄膜5，所述石墨烯薄膜5上层设置有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6，两个独立的金属电极4设置在玻璃衬底1与石墨烯薄膜5之间，分列平坦区3两侧。通过改变施加在两个独立金属电极4两端的驱动电压，使得带有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6的石墨烯薄膜5产生温度变化，从而调控石墨烯薄膜5对光纤中特定波长传输光强的吸收，实现波长选择的调制。
本专利中采用的波导是去芯侧边抛磨光纤2，单模光纤(直径为125um、纤芯8um)中，通常足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄露到光纤外面。去芯侧边抛磨光纤2是用物理抛磨的方法使光纤的包层厚度减少到倏逝波场存在的区域，也就是磨掉光纤纤芯，形成了无纤芯结构传输光倏逝波场的“泄露窗口”。在此“泄露窗口”处，就存在利用倏逝波场来激发、控制、调制光纤纤芯中的传输光的可能。本专利使用去芯侧边抛磨光纤2在光纤系统耦合过程中耦合效率高，有光通过“泄露窗口”时产生很强的消逝场，从而增加光与石墨烯薄膜5的作用强度，进而会增加本专利波长选择的调制效果；其次，光与石墨烯薄膜5的相互作用长度由平坦区3以及石墨烯薄膜5的长度决定，平坦区3具有可以选择任意长度的优点；最后，本专利直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗低，本专利集成在光纤上在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的，去芯侧边抛磨光纤剩余厚度为45um至50um，抛磨区长度为10至15mm。
在本实施例中，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6及石墨烯薄膜5，是由聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6与石墨烯薄膜5堆叠排列结构带，其中所用石墨烯薄膜5为通过化学气相沉积法(CVD)生长在Cu箔上的石墨烯，所用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6为将聚甲基丙烯酸甲酯溶于苯甲醚中搅拌均匀配置的溶液。将石墨烯薄膜5覆盖到平坦区3上，然后通过湿法聚甲基丙烯酸甲酯转移技术将其覆盖至石墨烯薄膜5上，石墨烯薄膜采用化学气相沉积法(CVD)生长的单层或少层石墨烯薄膜5，CVD法制作的石墨烯薄膜5层数要求范围为1层-9层。聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6厚度要求范围为：400至3000nm。采用如此布局方式，去芯侧边抛磨光纤2中传输的光可以与石墨烯薄膜5直接耦合。同时，基于石墨烯薄膜5作为一种新型的二维原子晶体薄膜材料，具备有优异的光学、电学特性，超高的热导率和超快的载流子迁移率等特性，可以因此使得本专利产生较为高效的作用强度。
所述的金属电极4对称设置于平坦区3的两侧，两侧金属电极4平铺在玻璃衬底1与石墨烯薄膜5之间。这种电极结构可以沿着光传输波导方向按需求长度可控的进行设计，一般来说，有效长度越长，光与石墨烯薄膜5耦合强度越大，这种结构被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容，起到高效控制本专利的作用。金属电极4材料为金，本领域普通技术人员清楚，所述金属电极4材料还可以为金或铜或铂或钼或钯，通过使用电阻小的金属降低本专利的电阻，从而达到低电压高响应度的目的。所述金属电极4之间距离为20-200um，用于布局传输光的去芯侧边抛磨光纤2，所述金属电极4厚度范围为30nm-100nm，金属电极4厚度对于金属电极4的性能指标都有很大影响，当其厚度尺寸减小到微米或纳米量级以下，金属电极4两端微弱的电阻变化可以被灵敏地检测到，本专利的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器的灵敏度得以显著提高。本专利金属电极4通过选择上述结构参数可以提高本专利整体的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的电极结构。
传统的基于石墨烯的各类功能性器件都是采用硅波导结构，硅波导结构制作的器件与光纤系统耦合过程中存在耦合效率低的缺点；另外硅的折射率大于二氧化硅(组成光纤的主要物质)的折射率，这样有光通过硅波导时产生较弱的消逝场，从而降低光与石墨烯的作用强度，影响器件性能；同时，由于硅波导自身的局限性，在制作的尺寸上具有很大的局限性，特别是长度一般较短，相比光纤可以选择任意长度的优点就很明显的体现出来；此外，集成于光纤上的本专利的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的。且采用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6与石墨烯薄膜5堆叠排列的结构及金材料的金属电极实现了高效的多功能特性。
基于以上所有的背景与思想，本专利提出一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器这种结构布局可以产生多功能的效应：如图3所示为电光调制特性示意图，分别表示输入光为1539nm与1541nm时，金属电极4两端偏压对光纤中传输光强的调制情况。其中1539nm具有约6dB的调制深度，1541nm具有约1.7dB的调制深度。图4为偏振特性体现示意图，相同电压下偏振对光强影响范围为1.5-6.2dB，同时相同偏振时，电压对光波长具有选择调控特性。图5所示为光电探测特性示意图，可以看出本专利在不同偏置电压与光功率变化时光电流的产生情况，同时具备有响应度值。
本专利提供了一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器通过去芯侧边抛磨光纤2倏逝场耦合进聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6，增强了与石墨烯薄膜5的接触，提高了调制效率。加入调制电压时，石墨烯薄膜5导电发热，使得聚甲基丙烯酸甲酯薄膜6的折射率发生变化，改变了耦合效率，使得石墨烯薄膜5接触到倏逝场强度发生变化，改变了石墨烯薄膜5对光的吸收效率，从而实现光强调制。又因为不同波长耦合效率的不同，调节电压，可以使得本专利可以对高耦合效率波长进行电光调制，从而实现波长选择调制。同时波长选择的光电探测也是本研究的创新。
本专利一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，实现将波长选择的电光调制、光电探测功能集成于全光纤器件上。应用在光纤通信系统中，可极大的减小系统的复杂程度，为更高效的通信系统提供了方法。同时，全光纤的设计，实现了低插入损耗、高传输效率、高通信质量的光纤通信器件，大幅度提高了通信质量，确实达到了本发明的目的。
显然，本发明虽然以上述实施例公开，但并不是对本发明的限定。任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，在上述说明的基础上都可以做出可能的变化和修改。因此，本发明的保护范围应当以本发明的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器包括玻璃衬底(1)，所述玻璃衬底(1)上侧设置有去芯侧边抛磨光纤(2)，所述去芯侧边抛磨光纤(2)的平坦区(3)两侧设置有金属电极(4)，所述平坦区(3)及所述金属电极(4)上侧覆盖设置有石墨烯薄膜(5)，所述石墨烯薄膜(5)上层设置有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(6)；
所述平坦区(3)的厚度为45um-50um；
所述平坦区(3)的长度为10mm-15mm。
2.根据权利要求1所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(6)的厚度为400nm-3000nm。
3.根据权利要求1所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述石墨烯薄膜(5)为单层石墨烯。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述金属电极(4)的材质为金或铜或铝或铂或钼或钯。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述两金属电极(4)之间的距离为20um-200um。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述金属电极(4)的厚度为30nm-100nm。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述金属电极(4)沿去芯侧边抛磨光纤(2)长度为3cm-6cm,所述金属电极(4)的宽度为0.5cm-1.2cm。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种集成光纤的全光纤波长选择调制器与探测器，其特征在于，所述玻璃衬底(1)为科研实验所用载玻片。
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