CN113009718A - 基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器。本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及光调制领域。调制器示意图如摘要附图，普通单模光纤包层3经过切割及研磨形成工字型结构，上下两层分别加工至距纤芯4相同的距离，保证光场主要部分在纤芯中传输；二维材料薄膜5分别刻写在硅基底1上表面及工字型光纤上侧，再将工字型光纤反向堆砌在基底上；电极2渡在硅支架6两侧以提供调制所需的电压。经过上述设置，通过对调制器施加不同电压，观察经过调制器后的光强变化，得到调制深度、调制电压、插入损耗等参数。该电光调制器通过工字型结构有效降低了插入损耗，双层涂覆二维材料能提高调制效率，降低调制电压。

Description

基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器
技术领域
本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及光调制领域。
背景技术
信息社会中，数据通信和因特网的日益发展促使市场对传输速率和通信容量需求不断增加，从而对光传输网络的需求量也迅速增长，在大容量光传输系统中，对光信号的高速调制必不可少。光纤通信是信息产业的基石，是《国家中长期发展规划纲要》重点强调的研究领域，是关系国计民生和国家实力的重大课题。光通信技术在最近几十年间取得了巨大的进步，也与我们的生活息息相关。而光通信中光器件的设计尤为重要，伴随着光通信技术的巨大进步，二维材料与全光纤结构结合的电光器件在未来全光纤光通信中具有巨大的应用潜力。其中，调制器可将携带信息的电信号加载到光波上，是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。
传统的电光调制器多采用波导结构，利用高电光系数材料，通过控制外电场来改变晶体折射率，从而改变光波的相位或强度。目前，基于马赫增德尔波导结构的LiNbO3行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。然而这种调制器的缺点是半波电压较高，器件尺寸较大，且无法做到全光纤化，导致耦合进光纤系统时插入损耗较高。研究全光纤结构调制器为解决上述问题提供了可能，但二氧化硅电光系数较低，调制效率较低。近年来，随着石墨烯等二维材料的深入研究，可以将二维材料与微结构光纤相结合，形成新型微结构光纤电光调制器，用于克服以上诸多瓶颈。
随着微结构光纤制作工艺日趋成熟，微结构光纤集成器件的应用也越来越广泛。传统铌酸锂调制器相比，微结构光纤调制器具有较小尺寸、较低调制电压和较低的插入损耗等优势，成为全光纤通信系统中重要组成部分。2013年，浙江大学提出了基于D型光纤的石墨烯相位调制器，将氧化铝、石墨烯依次涂覆在侧边研磨光纤的模切区，表明石墨烯的化学势能和相位存在直接的线性关系，且实现π相移仅需要127微米的光纤长度【Zhou F,HaoR,Jin X F,et al.A Graphene-Enhanced Fiber-Optic Phase Modulator With LargeLinear Dynamic Range[J].IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(18):1867-1870.】。2017年，电子科技大学提出一种基于D型的石墨烯微纳光纤全光调制器，消光比高达17.8dB，调制带宽为97.26GHz【Shah MK,Ye SW,Zou XH,Yuan F,Jha A,Li ZY,Lu RG,LiuY.Graphene-Assisted Electroabsorption Optical Modulator Using D-Microfiber[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2016,23(1):1-5.】。但是上述D型结构光纤均大幅度破坏光纤原有的结构，切割面涉及纤芯，产生极大的损耗，无法满足实际应用的需求(约为≤1dB)。而本专利提出的新型工字型结构，只切割包层，保护纤芯的完整性，能大幅度降低器件的插入损耗。
本专利重在研究尺寸小、低插入损耗、低调制电压的微结构全光纤调制器及其制备技术。提出结合飞秒激光加工和侧边研磨工艺，在光纤获得特殊的工字型微结构，建立微结构工字型光纤调制器理论模型，完成调制器关键参数设计，研究工字型微结构光纤向二维材料表面反向堆砌工艺，并进行性能验证。
发明内容
本文提出了一种基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器，并进行了理论验证。
本发明基本原理：传统光纤结构中，光场被严格限制在纤芯中传输，而光纤材料二氧化硅电光系数极低，难以发生电光效应，因此需将部分能量泄漏出光纤以倏逝波的形式存在于光纤包层，再与涂覆在包层的二维材料产生作用，常见的D型光纤调制器即是此原理。但D型结构使原本损耗极低的光纤引入巨大的损耗，不利用实际中的应用。而本发明通过合理的微结构光纤设计，提出工字型微结构光纤，将上下两部分包层分别切除对称的部分，但不破坏纤芯，这样可以减少光场能量的泄露，大幅度降低调制器的插入损耗。进入石墨烯涂覆的区域后，由于石墨烯复合层的有效折射率较高，能将光场有效地吸附于光纤切面，防止进一步损耗。当对石墨烯复合层施加电压后，石墨烯的费米能级发生变化，改变石墨烯介质的电导率特性，进而改变石墨烯层介电常数，最终将产生有效折射率实部或虚部发生变化。实部变化对应对模场的相位调制，虚部变化对应于模场的强度调制。最后通过M-Z结构观测光强的变化从而计算得到调制深度及插入损耗等关键参数。
本发明具体物理实现方式：基于二维材料的微结构光纤调制器由一段普通单模光纤(SMF)经过严格的机械切割及研磨构成。光纤包层上下两层分别切割到距纤芯相同的距离，保证光场主要部分在纤芯中传输，部分能量泄漏至切割面。以基模损耗小于1dB/m为实际中使用的标准，切割面距纤芯中心约为12μm。以最常见的二维材料石墨烯为例，石墨烯溶液通过化学气相沉淀法(CVD)生长在金属铜片上，用氯化铁溶液将其从金属铜片上移除，此时剩下的即为石墨烯薄膜。将得到的石墨烯薄膜分别堆砌在上切割面及调制器硅基底，再将工字型光纤反向堆砌至基底。最后使用电子书蒸镀发将电极置于硅支架两侧。
经过上述设置，通过对调制器施加不同电压，观察经过调制器后的光强变化，得到调制深度、调制电压、消光比及插入损耗。
本发明具体有益效果：一、本发明采用飞秒激光对光纤进行侧面切割且不伤及纤芯，且通过两侧同时添加二维材料将模场束缚在芯子中央，避免模场能量的损失，这是本发明实现能够实际应用的低插入损耗损耗的核心思路。此外，上下两侧的二维材料的对称涂覆可以使得两侧的调制结构更强烈的影响微结构光纤模场，有助于提升调制效率，从而实现较低的调制电压。
二、本发明采用半导体加工工艺先在硅基底上刻写上二维材料，再将研磨好的微结构光纤反向堆砌在基底表面，目的是为了最大限度降低二维材料在微结构光纤切面的不均匀堆积褶皱，使二维材料厚度可控，提升调制器性能指标。该技术避免直接在光纤切面涂覆，降低实现难度。同时在大表面衬底精密加工可充分利用现有半导体加工工艺，有望实现高质量且复杂的多层二维材料结构，还能集成驱动电路，实现高集成、低插损、低调制电压微结构全光纤调制器。
附图说明
图1基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器示意图
图2切面到纤芯距离为12微米时电光调制器截面图
图3切面到纤芯距离为5微米时电光调制器截面图
图4调制后的光信号效果图
具体实施方式
实施例一：
基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器如图1所示。硅基底1、电极2、普通单模光纤包层3、纤芯4、二维材料薄膜5和硅支架6。
具体组合方式为：普通单模光纤包层3经过切割及研磨形成工字型结构，上下两层分别加工至距纤芯4相同的距离；二维材料薄膜5分别刻写在硅基底1上表面及工字型光纤上侧，再将工字型光纤反向堆砌在基底上；电极2镀在硅支架6两侧与二维材料薄膜相连以提供调制所需的电压，改变光信号强度或相位。
硅基底1宽度200μm，厚度130μm；电极2宽度8μm，厚度26μm；光纤包层3直径125μm，纤芯4直径20微米；二维材料使用石墨烯，石墨烯薄膜5厚度0.8nm；硅支架宽度8μm，厚度24μm。
经过上述设置，调节包层切面至纤芯的距离，得到不同距离下的插入损耗。当距离约为12微米时，如图2所示，插入损耗为0.564dB/m，满足实际应用的需求。
实施例二：
基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器如图1所示。硅基底1、电极2、普通单模光纤包层3、纤芯4、二维材料薄膜5和硅支架6。
具体组合方式为：普通单模光纤包层3经过切割及研磨形成工字型结构，上下两层分别加工至距纤芯4相同的距离，保证光场主要部分在纤芯中传输；二维材料薄膜5分别刻写在硅基底1上表面及工字型光纤上侧，再将工字型光纤反向堆砌在基底上；电极2镀在硅支架6两侧与二维材料薄膜相连以提供调制所需的电压，改变光信号强度或相位。
硅基底1宽度200μm，厚度130μm；电极2宽度8μm，厚度26μm；光纤包层3直径125μm，纤芯4直径20微米；二维材料使用黑磷，黑磷薄膜5厚度0.8nm；硅支架宽度8μm，厚度24μm。
经过上述设置，调节包层切面至纤芯的距离，得到不同距离下的插入损耗。当距离等于5微米时，如图3所示，即研磨到与纤芯相切位置时，插入损耗为2449.1dB/m。
实施例三：
基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器如图1所示。硅基底1、电极2、普通单模光纤包层3、纤芯4、二维材料薄膜5和硅支架6。
具体组合方式为：普通单模光纤包层3经过切割及研磨形成工字型结构，上下两层分别加工至距纤芯4相同的距离；二维材料薄膜5分别刻写在硅基底1上表面及工字型光纤上侧，再将工字型光纤反向堆砌在基底上；电极2镀在硅支架6两侧与二维材料薄膜相连以提供调制所需的电压，改变光信号强度或相位。
硅基底1宽度200μm，厚度130μm；电极2宽度8μm，厚度26μm；光纤包层3直径125μm，纤芯4直径20微米；二维材料使用常见的石墨烯，石墨烯薄膜5厚度0.8nm；硅支架宽度8μm，厚度24μm；包层切面距离纤芯12μm。
经过上述设置，调节两端电极2的电压差产生电信号，得到如图4所示调制后的高速光信号，电压变化速度360Mhz，一个时间周期内无电压时间为1.5ps，产生的光信号速度为360Gb/s。

Claims (1)

1.一种基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器，其特征在于：采用微结构光纤加工技术对单模光纤进行侧面切割，保证不破坏纤芯的前提下，切割面上下对称形成工字型微结构光纤；硅基底上刻写二维材料，加工后的工字型光纤采用反向堆砌技术镀在材料表面，工字型光纤上层涂覆同样材料。
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