CN112415790B - 一种全光纤电光器件及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤电光器件及其构建方法，包括光纤、透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层、电极、具有光电特性的薄膜材料层，光纤的侧壁和一端面从内至外依次设有透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层和电极，薄膜材料层设于端面的透明绝缘薄膜层上方；电极包括一对侧壁金属电极和一对端面金属电极，光纤侧壁金属电极和端面金属电极相连，一对端面金属电极设于光电材料层的两侧并与其相连，透明导电薄膜层设有电极引出区域。本发明基于光纤端面三电极结构，集成不同光电材料即可实现各类光电转换及响应的功能，包括但不限于光、电、磁等物理信号的调制和传感、生物分子的光电检测和动态操控。

Description

一种全光纤电光器件及其构建方法
技术领域
本发明涉及电光器件及其制备方法，特别是涉及一种全光纤电光器件及其构建方法。
背景技术
电光器件是光通信领域和光互连网络中重要的功能性器件，具有广泛且重要的应用前景，适用领域包括但不限于调制、探测、传感等。光纤作为现代光通信系统中最密不可分的材料之一，已在多个领域发挥着重要的功能，例如信号传输，各类探测器，激光器等。全光纤光电器件可直接与当前的现代通信网络兼容，光纤天然的导光特性可替代常规平面半导体光电器件所需的耦光系统及其他复杂的波导微结构，从而简化器件的制备难度并降低器件的成本。同时由于光纤的微型化结构及环境耐受性，使其可以应用于传统的基于块状硅基材料的电光器件所不能应用的场景。
而目前全光纤光电器件无法对光电材料进行有效的栅压调控，限制了其应用领域和器件性能；常规平面型电光器件需要引入额外的耦光系统，集成度低，应用领域受限，操作系统复杂且成本高昂。
发明内容
发明目的：本发明的目的之一是提供一种全光纤电光器件，其可以与各类光电材料集成，以在全光纤体系下实现对光的调制、探测，以及其他传感、调控功能；本发明的目的之二是提供一种全光纤电光器件的构建方法。
技术方案：本发明的一种全光纤电光器件，包括光纤、透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层、电极、具有光电特性的薄膜材料层，光纤的侧壁和一端面从内至外依次设有透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层和电极，侧壁的透明导电薄膜层与端面的透明导电薄膜层相连，侧壁的透明绝缘薄膜层与端面的透明绝缘薄膜层相连，薄膜材料层设于端面的透明绝缘薄膜层上方；电极包括一对侧壁金属电极和一对端面金属电极，侧壁金属电极和端面金属电极相连，一对端面金属电极设于薄膜材料层的两侧并与其相连，设于光纤侧壁的透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层、金属电极的长度依次递减。
本发明的全光纤电光器件的光纤的另一端面用于接入光路，光纤侧壁沉积的三层薄膜，长度逐一递减的。即：透明绝缘薄膜层的下方留有一定长度的透明导电薄膜层，用于引出电极；侧壁金属电极的下方也留有一定长度的透明绝缘薄膜层，以防止侧壁金属电极和透明导电薄膜在侧壁连通。
其中，所述薄膜材料层位于光纤端面的中心位置，以保证覆盖纤芯的通光区域；侧壁金属电极相对于光纤的轴线对称分布，端面金属电极相对于光纤的轴线对称分布。
本发明为了扩展光纤在更多领域的应用，采用上述设计的全光纤电光器件结构，可将各类具有光电特性的薄膜材料与光纤进行集成，具有光电特性的薄膜材料包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等二维材料，以及压电、铁电等功能性薄膜材料。上述全光纤电光器件基于光纤端面三电极结构的平台，通过集成不同类型的光电材料，可实现对于光、电、磁等物理信号的调制和探测，以及化学微粒、生物分子等物质的检测和光电操控。全光纤电光器件与光互联网络的高集成度，可节约常规光电器件所需额外添加的耦光系统的成本；此外，由于光纤的微型化结构和环境耐受性，还可使其应用于传统平面电光器件所不能应用的极端场景。
所述光纤为光波导，包括但不限于各种材料的单模光纤、多模光纤、特种光纤；所述透明导电薄膜用作栅极，包括但不限于ITO、IWO等材料，厚度为0.1～0.5微米；所述透明绝缘薄膜用作栅极绝缘层，包括但不限于SiO2、Si3N4、Al2O3、派瑞林等材料，厚度为0.05～0.2微米；所述导电薄膜用作顶层的源极和漏极，包括但不限于金、银或铜等金属材料，厚度为0.03～0.05微米；具有光电特性的薄膜材料层的材料包括但不限于二维材料、量子点、铁电薄膜、压电薄膜，如石墨烯；优选地，该薄膜材料层的厚度为0.3～10nm。
其中，光纤的端面为该电光器件的功能区域，透明导电薄膜沉积在去除涂覆层的光纤侧壁及端面；透明绝缘材料沉积在上述透明导电薄膜上，导电薄膜沉积在上述透明绝缘薄膜上，并通过后期加工分为左右两部分，形成两个电极；具有光电特性的薄膜材料层置于上述导电薄膜形成的两个电极之间。
本发明还提供了一种全光纤电光器件的构建方法，其包括如下步骤：
(1)光纤的预处理；
(2)透明导电薄膜层的沉积：在光纤的一端面和侧壁沉积透明导电薄膜，使侧壁和端面的透明导电薄膜相连，形成透明导电薄膜层；光纤的另一端面用于接入光路；
(3)透明绝缘薄膜层的沉积：在透明导电薄膜层表面沉积透明绝缘薄膜，使侧壁和端面的透明绝缘薄膜相连，形成透明绝缘薄膜层，且侧壁的透明绝缘薄膜层的长度小于侧壁的透明导电薄膜层的长度；
(4)金属薄膜层的沉积：在透明绝缘薄膜表面沉积金属薄膜，使侧壁和端面的金属薄膜相连，形成金属薄膜层，且侧壁的金属薄膜层的长度小于透明绝缘薄膜层；
(5)加工沟道：对沉积于侧壁和端面的金属薄膜进行沟道加工，在透明绝缘薄膜上形成端面沟道和侧壁沟道，得到一对侧壁金属电极和一对端面金属电极；
可选的，对金属薄膜进行FIB离子束刻蚀，制备端面沟道；对金属薄膜的侧壁进行机械摩擦，制备侧壁沟道。
(6)将具有光电特性的薄膜材料转移至端面沟道中，使薄膜材料置于端面的透明绝缘薄膜上方、端面金属电极之间，并与两侧端面金属电极相连。
其中，光纤的预处理包括去除涂覆层、光纤切割、端面研磨、湿法清洗。
衬底光纤包括但不限于各种材料的单模光纤、多模光纤、特种光纤，也可以采用现有技术中其他光纤种类；薄膜的沉积工艺包括但不限于磁控溅射镀膜、电子束蒸发镀膜、电镀、各类化学气相沉积，也可采用现有技术中其他薄膜沉积工艺；具有光电特性的薄膜材料层的转移方法包括但不限于湿法转移、干法转移。
有益效果：本发明的全光纤电光器件基于光纤端面三电极结构，集成不同具有光电特性的薄膜材料即可实现各类光电转换及响应的功能，包括但不限于光、电、磁等物理信号的调制和传感、生物分子的光电检测和动态操控。基于该光纤端面三电极结构的全光纤光电器件，具有集成度高、成本低、适用领域广泛等优势；在器件制备方面，该全光纤光电器件的结构简单、工艺成熟易行、可批量加工、制备成本低。
附图说明
图1是本发明的全光纤电光器件的示意图。
图2是本发明的全光纤电光器件的横截面示意图。
图3是全光纤电光器件的构建流程示意图。
图4是全光纤电光器件在以石墨烯作为光电材料、施加不同栅压时的光透过率；
图5是全光纤电光器件在以石墨烯作为光电材料、间断施加固定栅压时的透射光功率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1、2所示是本发明的全光纤电光器件的结构示意图，该器件结构包括光纤1、透明导电薄膜2、透明绝缘薄膜3、金属薄膜4、具有光电特性的薄膜材料5、第一可调电源6、第二可调电源7。光纤1作为结构衬底，透明导电薄膜2镀在光纤1的侧壁和上端面，光纤的下端面用于接入光路；透明绝缘薄膜3镀于透明导电薄膜2上；金属薄膜4镀于透明绝缘薄膜3上，且光纤的侧壁沉积的上述三层薄膜(透明导电薄膜2、透明绝缘薄膜3、金属薄膜4)的长度逐一递减，侧壁透明绝缘薄膜3的下方留有一定长度的透明导电薄膜2用于引出电极，金属薄膜4的下方也留有一定长度的透明绝缘薄膜3，以防金属薄膜4和透明导电薄膜2在侧壁连通。
金属薄膜4通过后续的沟道加工使其分为左右两部分，以形成一对侧壁金属电极和一对端面金属电极；具有光电特性的薄膜材料5设置于透明绝缘薄膜3的端面上，一对端面金属电极位于薄膜材料5的左右两侧并与其相连。并且，薄膜材料5位于光纤端面的中心位置，保证覆盖纤芯的通光区域；两个侧壁金属电极相对于光纤的轴线对称分布，两个端面金属电极相对于光纤的轴线对称分布。
其中，光纤1为光波导，光纤可选用单模光纤、多模光纤或其他特种光纤，本实施例采用单模光纤；透明导电薄膜2由透明导电材料制备而成，本实施例采用ITO，厚度优选为0.2um；透明绝缘薄膜3由透明介电材料制备而成，本实施例采用派瑞林；金属薄膜4由金属材料制备而成，本实施例采用金；具有光电特性的薄膜材料5优选为二维材料或其他薄膜材料，本实施例采用石墨烯，厚度为0.35-2nm。
本实施例上述的一种全光纤电光器件，如图3所示，其构建方法包括以下步骤：
(1)光纤1的预处理：利用光纤端面研磨与湿法清洗工艺，保证光纤端面的平整及端面和侧壁的清洁度；
(2)透明导电薄膜2沉积：利用磁控溅射等技术，在经预处理后的光纤的侧壁和一端面同时沉积透明导电薄膜，用作栅极；光纤的另一端面用于接入光路；
(3)透明绝缘薄膜3沉积：利用化学气相沉积等技术，在透明导电薄膜的表面再沉积一层透明绝缘材料，用作栅极绝缘层；
(4)金属薄膜4沉积：利用磁控溅射等技术，在透明绝缘薄膜表面再沉积一层金属薄膜，用于制备源极和漏极，材料优选金；
其中，侧壁和一端面均沉积有透明导电薄膜2、透明绝缘薄膜3、金属薄膜4，且沉积于光纤侧壁的透明导电薄膜、透明绝缘薄膜、金属薄膜的长度依次递减。
(5)端面沟道的加工：采用FIB离子束加工，对光纤端面处的顶层金属薄膜进行刻蚀，在中央形成约125微米×15微米的沟道，裸露出位于端面的透明绝缘薄膜3；
(6)侧壁沟道的加工：光纤侧壁划线，用细砂纸对光纤侧壁的金属薄膜进行摩擦，用于形成两条侧壁沟道，和步骤(5)形成的端面沟道相匹配，从而将顶层金属薄膜分为左右两部分，形成一对侧壁金属电极和一对端面金属电极，且侧壁金属电极和端面金属电极相连；
(7)具有光电特性的薄膜材料转移：应用精密位移台和自制光纤探针，将具有光电特性的薄膜材料5转移至经步骤(6)制备的源漏电极上，使薄膜材料5位于端面的透明绝缘薄膜3的上方，且位于一对端面金属电极之间，并与两侧的端面金属电极相连，即得到上述全光纤电光器件。
本实施例的全光纤电光器件使用时，第一可调电源6和金属薄膜4形成的左右两个侧壁电极相连，用于施加源漏电压；第二可调电源7和侧壁的透明导电薄膜2、金属薄膜4形成的其中一个侧壁电极相连，用于施加栅极调控电压。将一束光8通至光纤1内，即光纤1的未镀膜的一端，本实施例中光8的波长为1530-1625nm。光8传播至光纤1端面后可近似无损耗得通过透明导电薄膜2和透明绝缘薄膜3，再与具有光电特性的薄膜材料5进行相互作用。可调电源6施加在顶层金属薄膜4分割成的左右两个电极上，用作源漏电压；可调电源7施加在顶层金属薄膜4的一个电极和底层透明导电薄膜2之间，用作栅极调控电压；具有光电特性的薄膜材料层5的光电特性可受可调电源6、7施加电压的有效调控。
如图4所示，波长为1550nm的固定入射光8的功率和可调电源6的电压不变时，通过调节可调电源7的输出电压，便可有效得调整施加在石墨烯上的栅压，进而调控石墨烯的费米能级，改变石墨烯的可饱和吸收特性，最终对透射光的强度进行有效的调制，且如图5所示，对该器件重复施加相同的栅压，透射光的强度具有良好的重复性。
而当具有光电特性的薄膜材料5为磁性材料时，通过调节可调电源7的输出电压，可以改变透射光的偏振特性，亦或进行磁场探测；当具有光电特性的薄膜材料5为导电薄膜材料时，可在端面实现微粒或生物分子的光镊操控。因此，根据光电材料种类的不同，本全光纤电光器件可实现各种光电子学功能。

Claims (9)

1.一种全光纤电光器件，其特征在于：包括光纤、透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层、电极、具有光电特性的薄膜材料层，光纤的侧壁和一端面从内至外依次设有透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层和电极，侧壁的透明导电薄膜层与端面的透明导电薄膜层相连，侧壁的透明绝缘薄膜层与端面的透明绝缘薄膜层相连，薄膜材料层设于端面的透明绝缘薄膜层上方；电极包括一对侧壁金属电极和一对端面金属电极，侧壁金属电极和端面金属电极相连，一对端面金属电极设于薄膜材料层的两侧并与其相连；设于光纤侧壁的透明导电薄膜层、透明绝缘薄膜层、金属电极的长度依次递减。
2.根据权利要求1所述的全光纤电光器件，其特征在于：所述薄膜材料层位于光纤端面的中心位置，侧壁金属电极相对于光纤的轴线对称分布，端面金属电极相对于光纤的轴线对称分布。
3.根据权利要求1所述的全光纤电光器件，其特征在于：光纤为光波导，透明导电薄膜层的材料为ITO或IWO，透明绝缘薄膜为SiO2、Si3N4、Al2O3或派瑞林，薄膜材料层的材料为二维材料、量子点、铁电薄膜或压电薄膜。
4.根据权利要求1所述的全光纤电光器件，其特征在于：所述透明导电薄膜层的厚度为0.1～0.5μm，所述透明绝缘薄膜的厚度为0.05～0.2μm，电极的厚度为0.03～0.05μm。
5.根据权利要求1所述的全光纤电光器件，其特征在于：薄膜材料层的厚度为0.3～10nm。
6.一种全光纤电光器件的构建方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)光纤的预处理；
(2)在光纤的一端面和侧壁沉积透明导电薄膜，使侧壁和端面的透明导电薄膜相连，形成透明导电薄膜层；光纤的另一端面用于接入光路；
(3)在透明导电薄膜层表面沉积透明绝缘薄膜，使侧壁和端面的透明绝缘薄膜相连，形成透明绝缘薄膜层，且侧壁的透明绝缘薄膜层长度小于透明导电薄膜层；
(4)在透明绝缘薄膜层表面沉积金属薄膜，使侧壁和端面的金属薄膜相连，形成金属薄膜层，且侧壁的金属薄膜层长度小于透明绝缘薄膜层；
(5)对金属薄膜层进行沟道加工，在透明绝缘薄膜上形成端面沟道和侧壁沟道，形成一对侧壁金属电极和一对端面金属电极；
(6)将具有光电特性的薄膜材料转移至端面沟道中，使薄膜材料置于端面的透明绝缘薄膜上方、端面金属电极之间，并与两侧端面金属电极相连。
7.根据权利要求6所述的全光纤电光器件的构建方法，其特征在于：光纤的预处理包括去除涂覆层、光纤切割、端面研磨、湿法清洗。
8.根据权利要求6所述的全光纤电光器件的构建方法，其特征在于：沉积工艺为磁控溅射镀膜、电子束蒸发镀膜、电镀或化学气相沉积。
9.根据权利要求6所述的全光纤电光器件的构建方法，其特征在于：光电材料的转移方法为干化转移或湿法转移。
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