CN111338022A - 光纤及具有其的电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及光学工程及光通讯技术领域，提出了一种光纤及具有其的电光调制器。光纤包括光纤本体和覆盖层组，光纤本体上设置有空气孔，空气孔沿光纤本体的长度方向延伸；空气孔的孔壁上设置有覆盖层组，覆盖层组包括第一石墨烯层、第二石墨烯层以及夹设在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的绝缘层，第一石墨烯层设置在空气孔的孔壁上。光纤本体、第一石墨烯层、绝缘层以及第二石墨烯层的结合可以实现光纤中光强、光相位等光信号的调节，该调制具有制作工艺简单，与光纤通信系统集成方便等优点，在光纤通信，传感器和雷达系统等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本公开涉及光学工程及光通讯技术领域，尤其涉及一种光纤及具有其的电光调制器。
背景技术
电光调制器是一种重要的光电器件，可以利用控制电信号来调节传输光束的功率、相位和偏振等特征。常见电光调制器的工作原理一般是通过施加电压来使晶体的折射率和吸光率等性质产生变化，进而让通过该晶体的光束的传输性质产生变化实现对光的调制。它是高速、长距离光通信的关键器件，是最重要的集成光电器件之一。它在相干光通信系统、先进雷达系统、光纤传感以及激光打印等领域具有非常重要的作用。
光纤是一种由玻璃或塑料制成的圆截面波导纤维，包含高折射率的纤芯和低折射率的包层两部分，光在纤芯中以全内反射方式传输。光纤由于其非常低的造价，非常小的信号传输损耗以及非常大的信号传输容量而广泛用于光纤通信，医学检测，生物传感等领域。
现有技术中，应用于电光调制器的光纤由于其自身限制，有些会破坏传输模式的完整性，有些会因为电介质绝缘层的本身性质而限制调制速率。
发明内容
本公开的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种光纤及具有其的电光调制器。
根据本发明的第一个方面，提供了一种光纤，包括：
光纤本体，光纤本体上设置有空气孔，空气孔沿光纤本体的长度方向延伸；
覆盖层组，空气孔的孔壁上设置有覆盖层组，覆盖层组包括第一石墨烯层、第二石墨烯层以及夹设在第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的绝缘层，第一石墨烯层设置在空气孔的孔壁上。
在本发明的一个实施例中，空气孔为一个，空气孔的孔壁上均设置有覆盖层组。
在本发明的一个实施例中，空气孔为多个，多个空气孔中的至少一个空气孔的孔壁上设置有覆盖层组。
在本发明的一个实施例中，多个空气孔的孔壁上设置有覆盖层组。
在本发明的一个实施例中，光纤本体的外表面的至少部分上设置有覆盖层组；
其中，光纤本体的外表面上的第一石墨烯层与空气孔的孔壁上的第一石墨烯层电连接，光纤本体的外表面上的第二石墨烯层与空气孔的孔壁上的第二石墨烯层电连接。
在本发明的一个实施例中，光纤本体包括包层和纤芯，纤芯位于包层的内部；
其中，空气孔设置在包层上，和/或纤芯为空气孔。
在本发明的一个实施例中，绝缘层是氮化硼层、氧化铪层、氧化铝层或氧化硅层。
在本发明的一个实施例中，光纤本体为光子晶体光纤或空芯光纤。
根据本发明的第二个方面，提供了一种电光调制器，包括上述的光纤。
在本发明的一个实施例中，电光调制器还包括：
电压源，电压源的一端与第一石墨烯层电连接，电压源的另一端与第二石墨烯层电连接。
本发明的光纤由光纤本体和设置在光纤本体的空气孔内的覆盖层组组成，其中，覆盖层组的第一石墨烯层、绝缘层以及第二石墨烯层由空气孔的孔壁向外依次覆盖，即第一石墨烯层覆盖在空气孔的孔壁上，绝缘层覆盖在第一石墨烯层远离空气孔的孔壁的一侧，最后将第二石墨烯层覆盖在绝缘层远离第一石墨烯层的一侧。本光纤调制器的光纤本体、第一石墨烯层、绝缘层以及第二石墨烯层的结合，可以实现光纤中光强、光相位等光信号的调节。由本发明的光纤制备而成的电光调制器具有材料新颖，尺寸小，与光纤光路系统耦合方便，有利于光集成等特点。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本公开的优选实施方式的详细说明，本公开的各种目标，特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本公开的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种光纤的第一个视角的结构示意图；
图2是根据一示例性实施方式示出的一种光纤的第二个视角的结构示意图；
图3是根据一示例性实施方式示出的一种光纤的局部放大结构示意图；
图4是根据一示例性实施方式示出的一种电光调制器工作示意图。
附图标记说明如下：
10、光纤本体；11、空气孔；12、包层；13、纤芯；20、覆盖层组；21、第一石墨烯层；22、第二石墨烯层；23、绝缘层；30、电压源。
具体实施方式
体现本公开特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本公开。
在对本公开的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，附图形成本公开的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本公开的多个方面的不同示例性结构，系统和步骤。应理解的是，可以使用部件，结构，示例性装置，系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本公开范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”，“之间”，“之内”等来描述本公开的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本公开的范围内。
本发明的一个实施例提供了一种光纤，请参考图1至图3，光纤包括：光纤本体10，光纤本体10上设置有空气孔11，空气孔11沿光纤本体10的长度方向延伸；覆盖层组20，空气孔11的孔壁上设置有覆盖层组20，覆盖层组20包括第一石墨烯层21、第二石墨烯层22以及夹设在第一石墨烯层21和第二石墨烯层22之间的绝缘层23，第一石墨烯层21设置在空气孔11的孔壁上。
本发明一个实施例的光纤由光纤本体10和设置在光纤本体10的空气孔11内的覆盖层组20组成，其中，覆盖层组20的第一石墨烯层21、绝缘层23以及第二石墨烯层22由空气孔11的孔壁向外依次覆盖，即第一石墨烯层21覆盖在空气孔11的孔壁上，绝缘层23覆盖在第一石墨烯层21远离空气孔11的孔壁的一侧，最后将第二石墨烯层22覆盖在绝缘层23远离第一石墨烯层21的一侧。光纤本体10、第一石墨烯层21、绝缘层23以及第二石墨烯层22的结合可以实现光纤中光强、光相位等光信号的调节。
在一个实施例中，绝缘层23用于隔离第一石墨烯层21和第二石墨烯层22，防止二者电连接。
石墨烯是指电子仅可在两个维度上自由运动的低维材料(某个维度上的尺寸比如厚度在1纳米～100纳米范围)。二维材料由于非常薄的厚度限制其中电子的运动，而表现处许多奇异的光学，电学和光电子学等性质，石墨烯正是其中的典型代表。石墨烯在很宽光谱范围具有恒定的吸光率(≈2.3％)。由于泡利不相容原理，如果入射的光子能量小于2倍费米能级改变量时，则该光子不能被吸收，价带的电子不能被激发到导带，此时石墨烯变透明，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％。所以通过电压调制可以改变石墨烯的费米能级和载流子浓度，进而改变其透光率。即，通过将第一石墨烯层21和第二石墨烯层22设置在光纤本体10上，可以利用施加电压的方式来调节光纤的透光率。
在一个实施例中，将石墨烯与光纤本体10结合可以研制成新的光纤器件，比如石墨烯覆盖在侧抛光纤(或称为D型光纤)表面可以制作成光纤偏振器，石墨烯覆盖在拉锥光纤表面可以用于脉冲光纤激光器等。
针对光纤本体10的一个实施例，空气孔11为一个，空气孔11的孔壁上均设置有覆盖层组20。具有一个空气孔11的光纤为单孔光纤，空气孔11内的覆盖层组20呈环形层，其由空气孔11的一端向另外一端延伸，其中，空气孔11内可以布满覆盖层组20，当然也可以局部具有覆盖层组20。
针对光纤本体10的一个实施例，如图1和图2所示，空气孔11为多个，多个空气孔11中的至少一个空气孔11的孔壁上设置有覆盖层组20。具有多个空气孔11的光纤为多孔光纤，多个空气孔11可以部分具有覆盖层组20，也可以所有的空气孔11内均覆盖有覆盖层组20。其中，空气孔11内的覆盖层组20呈环形层，其由空气孔11的一端向另外一端延伸，空气孔11内可以布满覆盖层组20，当然也可以局部具有覆盖层组20。
在一个实施例中，空气孔11为2个或2个以上。多孔光纤是指包层或纤芯由空气孔缺陷形成的多孔光纤。
在一个实施例中，多个空气孔11的孔壁上设置有覆盖层组20；其中，多个空气孔11的孔壁上的各个第一石墨烯层21均电连接，多个空气孔11的孔壁上的各个第二石墨烯层22均电连接。考虑到后续需要对第一石墨烯层21以及第二石墨烯层22加电压方便，故将所有的第一石墨烯层21电连接，所有的第二石墨烯层22电连接。
在一个实施例中，光纤本体10的外表面的至少部分上设置有覆盖层组20；其中，光纤本体10的外表面上的第一石墨烯层21与空气孔11的孔壁上的第一石墨烯层21电连接，光纤本体10的外表面上的第二石墨烯层22与空气孔11的孔壁上的第二石墨烯层22电连接。光纤本体10的外表面上的覆盖层组20可以将其与空气孔11的孔壁上的覆盖层组20连接，即所有的第一石墨烯层21电连接，所有的第二石墨烯层22电连接，而位于第一石墨烯层21和第二石墨烯层22之间的绝缘层23均衔接。
在一个实施例中，光纤本体10的外表面包括两个端面和位于两个端面之间的周向外表面，其中，两个端面和周向外表面上可以都具有覆盖层组20，当然，也可以是局部具有覆盖层组20，但需要保证所有的覆盖层组20均可以实现所有的第一石墨烯层21电连接，所有的第二石墨烯层22电连接。
在一个实施例中，在具体覆盖覆盖层组20时，先将第一石墨烯层21覆盖在空气孔11的孔壁上以及光纤本体10的外表面上，然后将绝缘层23覆盖在第一石墨烯层21上，最后将第二石墨烯层22覆盖在绝缘层23上。在具体覆盖时，第一石墨烯层21、绝缘层23以及第二石墨烯层22均是一个整体。在后续可以对其进行局部处理，即可以清除部分的覆盖层组20。
在一个实施例中，光纤本体10为圆柱体，空气孔11为圆孔，多个圆孔间隔地分布在圆柱体上。
如图3所示，光纤本体10包括包层12和纤芯13，纤芯13位于包层12的内部；其中，空气孔11设置在包层12上，和/或纤芯13为空气孔11。其中，纤芯13可以是空气孔11，也可以是由实心材料构成。
在一个实施例中，光纤本体10具有横截面为圆环形的包层12以及位于包层12内的纤芯13，其中，圆环形的包层12由周期性排列的空气孔组成，纤芯13可以由实心材料构成，也可以由一个空气孔11构成。当然，包层12也可以完全是实心材料，即没有空气孔11，此时，纤芯13由一个空气孔11构成。
在一个实施例中，绝缘层23由绝缘材料制备而成，优选的是氮化硼层、氧化铪层、氧化铝层或氧化硅层。
在一个实施例中，绝缘层23为六方氮化硼(h-BN)，由于六方氮化硼(h-BN)是一种二维绝缘材料，所以，石墨烯-六方氮化硼-石墨烯的三层结构可以形成平行板电容器结构，进而通过电压能够高效、高速的调节石墨烯的载流子浓度和费米能级位置，从而调控石墨烯的透光率。因此在多孔光纤的空气孔内壁依次覆盖石墨烯-六方氮化硼-石墨烯层可以制成一种新型光纤电光调制器，它具有体积小，结构简单，制备工艺，工作稳定，抗干扰能力强，调制速度快，适用带宽大以及易与光纤光路集成等优点，在光纤通信，雷达检测和光纤传感等光电器件领域具有重要的潜在应用价值。
在一个实施例中，光纤本体10为光子晶体光纤。光子晶体光纤是一种特殊光纤，它的包层由周期性排列的空气孔组成，所以又称为多孔光纤或微结构光纤。光子晶体光纤通过设计空气孔的大小或孔间距等波导参数可以实现传统光纤所不具备的各种奇异特性，比如，宽波长范围内的单模传输和很高的模式双折射等。此外，这些周期性排列的小孔也为各种功能材料与光纤的集成以及全光器件的制作提供了空间。
在一个实施例中，光纤本体10为实心光子晶体光纤。
在一个实施例中，光纤本体10为空心光子晶体光纤。
在一个实施例中，光纤本体10为空芯光纤。
本发明的一个实施例还提供了一种电光调制器，请参考图4，包括上述的光纤。
如图4所示，电光调制器还包括：电压源30，电压源30的一端与第一石墨烯层21电连接，电压源30的另一端与第二石墨烯层22电连接。通过改变电压可以调节输出调制器光束的强度。
在一个实施例中，两层石墨烯(第一石墨烯层21和第二石墨烯层22)分别与两个电极引线连通，这两个电极引线接入电压源30。信号光束通过此光纤，并与空气孔11内壁的石墨烯相互作用，通过调节电压改变出射光束(调制光)的光强达到调制效果。如图4所示，左侧箭头表示信号光进入光纤，右侧箭头表示从光纤内出来调制光。
本发明的电光调制器是一种基于石墨烯的多孔光纤电光调制器。在光纤本体10的空气孔11的内壁上依次覆盖有石墨烯、六方氮化硼和石墨烯薄膜，利用引线将两层石墨烯薄膜(第一石墨烯层21和第二石墨烯层22)分别连接至电源(电压源30)，并通过调节电压来改变石墨烯费米能级进而调控光在石墨烯光纤中的透过率，最终实现电光调制。
本发明的电光调制器采用石墨烯光子晶体光纤以及石墨烯-六方氮化硼-石墨烯结构技术，与其他类似的石墨烯电光调制器相比有更高的调制速度，调制效率和器件集成度。其具有工作频带宽，调制深度高，能量损耗低，制作工艺简单，与光纤通信系统集成方便等优点，在光纤通信，传感器和雷达系统等领域有广阔的应用前景。
本发明的电光调制器具有材料新颖，尺寸小，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，激光器，光集成系统和全光通讯等领域。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和示例实施方式仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种光纤，其特征在于，包括：
光纤本体(10)，所述光纤本体(10)上设置有空气孔(11)，所述空气孔(11)沿所述光纤本体(10)的长度方向延伸；
覆盖层组(20)，所述空气孔(11)的孔壁上设置有所述覆盖层组(20)，所述覆盖层组(20)包括第一石墨烯层(21)、第二石墨烯层(22)以及夹设在所述第一石墨烯层(21)和所述第二石墨烯层(22)之间的绝缘层(23)，所述第一石墨烯层(21)设置在所述空气孔(11)的孔壁上。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述空气孔(11)为一个，所述空气孔(11)的孔壁上均设置有所述覆盖层组(20)。
3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述空气孔(11)为多个，多个所述空气孔(11)中的至少一个所述空气孔(11)的孔壁上设置有所述覆盖层组(20)。
4.根据权利要求3所述的光纤，其特征在于，多个所述空气孔(11)的孔壁上设置有所述覆盖层组(20)；
其中，多个所述空气孔(11)的孔壁上的各个所述第一石墨烯层(21)均电连接，多个空气孔(11)的孔壁上的各个所述第二石墨烯层(22)均电连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤本体(10)的外表面的至少部分上设置有所述覆盖层组(20)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其特征在于，所述光纤本体(10)包括包层(12)和纤芯(13)，所述纤芯(13)位于所述包层(12)的内部；
其中，所述空气孔(11)设置在所述包层(12)上，和/或所述纤芯(13)为所述空气孔(11)。
7.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述绝缘层(23)是氮化硼层、氧化铪层、氧化铝层或氧化硅层。
8.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述光纤本体(10)为光子晶体光纤或空芯光纤。
9.一种电光调制器，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的光纤。
10.根据权利要求9所述的电光调制器，其特征在于，所述电光调制器还包括：
电压源(30)，所述电压源(30)的一端与所述第一石墨烯层(21)电连接，所述电压源(30)的另一端与所述第二石墨烯层(22)电连接。
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