專利名稱：一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信、傳感技術(shù)及其光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器及其方法。
背景技術(shù)：
信息社會中，數(shù)據(jù)通信和因特網(wǎng)的日益發(fā)展促使市場對傳輸速率和通信容量需求不斷增加，從而對光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求量也迅速增長，在大容量光傳輸系統(tǒng)中，對光信號的高速調(diào)制必不可少。光調(diào)制器是高速、長距離光通信的關(guān)鍵器件，也是最重要的集成光學(xué)器件之一。光調(diào)制器按照其調(diào)制原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等。其中電光調(diào)制器在損耗、功耗、速度、集成性等方面都優(yōu)于其他類型的調(diào)制器，因此最具前景并成為研究熱點。電光調(diào)制器的原理是利用晶體的電光效應(yīng)，通過控制外電場來改變晶體折射率或雙折射率，從而改變輸出光波的相位或強(qiáng)度。近些年來，由于LiNbO3波導(dǎo)的低損耗、高電光效率等特性，LiNbO3電光(EO)調(diào)制器已成為高速光通信系統(tǒng)中最有前途的器件，其中基于馬赫-曾德(MZ)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的LiNbO3行波調(diào)制器已經(jīng)成為現(xiàn)有系統(tǒng)中使用最廣泛的調(diào)制器。然而這種調(diào)制器的缺點是半波電壓目前較高，調(diào)制效率較低，且由于是LiNbO3器件，無法做到全光纖化。自英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)獎海姆和諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出石墨烯，這種只有一層原子厚度的材料因其奇特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，吸引了人們巨大的熱情。在不加外界電壓的情況下，石墨烯是零帶隙的半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)在K空間呈對頂?shù)碾p錐形，費米能級在迪拉克點之上。由于單原子結(jié)構(gòu)的特殊性，在迪拉克點處的電子態(tài)密度很低，電子的填充水平受外界電壓的印象很大，通過施加外部電壓，可以使石墨烯的費米能級產(chǎn)生移動，從而改變整體材料的電導(dǎo)率等性質(zhì)。當(dāng)外加電壓很小時，材料的電導(dǎo)率實部與虛部都為正數(shù)，石墨烯整體展現(xiàn)出介質(zhì)的性質(zhì)；當(dāng)外加電壓達(dá)到某一臨界值時，電導(dǎo)率的實部和虛部都趨于零，石墨烯整體展現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)；當(dāng)外加電壓大于某一臨界值時，其電導(dǎo)率的實部為負(fù)數(shù)，石墨烯整體展現(xiàn)出金屬的性質(zhì)。通過利用石墨烯的介質(zhì)、半金屬、金屬特性，可以控制光與石墨烯之間發(fā)生耦合作用，設(shè)計出具有很高的調(diào)制效率及低半波電壓的電光調(diào)制器。現(xiàn)有的光通信系統(tǒng)中大量使用獨立封裝的單個調(diào)制器，基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石墨烯調(diào)制器需要在其兩端連接光纖，以便與光通信系統(tǒng)兼容；同時波導(dǎo)與光纖之間耦合會產(chǎn)生較大的損耗；而波導(dǎo)封裝的成本也也會增加器件的成本。因此設(shè)計一種廉價、低損耗的新型的石墨烯電光調(diào)制器具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器及其方法。
基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器包括單模光纖、二氧化硅槽型基片、Al2O3過渡薄層、石墨烯薄膜，二氧化硅槽型基片上設(shè)有單模光纖，并用封裝的環(huán)氧膠固定，在單模光纖上設(shè)有凹槽，凹槽上設(shè)有Al2O3過渡薄層，Al2O3過渡薄層上設(shè)有石墨烯薄膜。所述的單模光纖包括光纖芯層和光纖包層。基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器的制作方法的步驟包括如下:
O首先將直徑約為125um的單模光纖置入與光纖外徑相匹配的二氧化硅槽型基片的槽內(nèi)，用環(huán)氧膠固定；
2)在垂直于光纖長度方向進(jìn)行滾圓研磨，去除光纖包層，經(jīng)粗磨后用小于0.5um的金剛石微粉液精磨，再經(jīng)氧化鈰粉拋光，產(chǎn)生光纖芯層研磨區(qū)的凹槽，凹槽深度為光纖芯層的半徑；
3)在凹槽上采用磁控濺射制作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層，采用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜，后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移到Al2O3過渡薄層上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的的有益效果如下:該電光調(diào)制器體積小、調(diào)制效率高、半波電壓低、制備工藝簡單、無需波導(dǎo)光纖耦合、封裝容易、成本低、利于全光纖化等優(yōu)勢。該電光調(diào)制器采用了石墨烯光纖結(jié)構(gòu)，器件尺寸微小，參考光纖直徑，為微米量級，石墨烯厚度則為幾個納米，因此該電光調(diào)制器體積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)電光調(diào)制器約IiTioo毫米量級的尺寸，且具有一般石墨烯電光調(diào)制器調(diào)制效率高、半波電壓低的特點；該電光調(diào)制器直接在單模光纖上制備，解決了光纖和波導(dǎo)的耦合難題，因此大大降低了插入損耗，利于實現(xiàn)全光纖化；該電光調(diào)制器無需設(shè)計特殊的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，只需在一段單模光纖中制備凹面過渡區(qū)，Al2O3過渡薄層及石墨烯薄膜，制備工藝簡單；基于光纖的器件封裝與現(xiàn)有的光纖無源器件封裝類似，因此該電光調(diào)制器利于封裝。因此一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器，實現(xiàn)了將光通信媒介光纖與光調(diào)制器結(jié)合，避免了傳統(tǒng)方法的電光調(diào)制器的引入，使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大降低，便于應(yīng)用到光集成系統(tǒng)、密集波分復(fù)用DWDM的系統(tǒng)和全光通信系統(tǒng)中。


圖1為基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器的三維結(jié)構(gòu)示意 圖2為基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器的橫截面剖視示意 圖3為石墨烯化學(xué)勢和有效折射率實部及虛部的關(guān)系示意 圖4為光纖模場受纖芯凹面過渡而改變的示意 圖5為光纖模場進(jìn)入石墨烯薄膜前的示意 圖6為石墨烯薄膜中的光纖模場示意圖。圖7為光纖模場離開石墨烯薄膜后的示意 圖8為光纖模場逐漸恢復(fù)初始狀態(tài)的示意圖。
具體實施例方式如圖1，圖2所示，基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器包括單模光纖1、二氧化硅槽型基片2、Al2O3過渡薄層4、石墨烯薄膜5，二氧化硅槽型基片2上設(shè)有單模光纖1，并用封裝的環(huán)氧膠固定，在單模光纖I上設(shè)有凹槽3，凹槽3上設(shè)有Al2O3過渡薄層4，Al2O3過渡薄層4上設(shè)有石墨烯薄膜5。所述的單模光纖I包括光纖芯層101和光纖包層102?；谑┎牧系娜饫w電光調(diào)制器的制作方法的步驟包括如下:
1)首先將直徑約為125um的單模光纖I置入與光纖外徑相匹配的二氧化硅槽型基片2的槽內(nèi)，用環(huán)氧膠固定；
2)在垂直于光纖長度方向進(jìn)行滾圓研磨，去除光纖包層102，經(jīng)粗磨后用小于0.5um的金剛石微粉液精磨，再經(jīng)氧化鈰粉拋光，產(chǎn)生光纖芯層101研磨區(qū)的凹槽3，凹槽深度為光纖芯層101的半徑，不同于一般D型傳感器的平面研磨，采用滾圓研磨可以產(chǎn)生光纖芯層101研磨區(qū)的漸變凹面過渡結(jié)構(gòu)，這樣有利于降低光纖插入損耗與回波。凹槽3的加工深度可以由臺階儀、輪廓儀或干涉儀等手段進(jìn)行測量，以便對加工凹槽3的深度進(jìn)行精密測量與控制；
3)在凹槽3上采用磁控濺射制作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層4，采用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜5，后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移到Al2O3過渡薄層4上。由于光纖纖芯101折射率大約為1.45，而石墨烯材料的有效折射率隨費密能級的狀態(tài)具有很大的動態(tài)可調(diào)性，引入折射率大約為1.76的Al2O3過渡薄層4有利于光學(xué)模場分布的穩(wěn)定，同時由于其附著力和傳熱性都與光纖纖芯101和石墨烯薄膜5匹配較好，因此有利于增加復(fù)合膜層的強(qiáng)度與性能。本發(fā)明的原理如下:
輸入信號光由普通單模光纖I輸入后，光纖纖芯101泄露出的消逝場與涂敷在Al2O3過渡薄層4上的石墨烯薄膜5相互作用，在石墨烯的表面耦合形成一層表面等離子波，石墨烯越長，光場與石墨烯的作用長度越長，石墨烯對光場的吸收也就越大。電調(diào)制信號通過金屬電極施加到石墨烯薄膜5上，與表面等離子波耦合，產(chǎn)生偏置電場，有規(guī)律地改變石墨烯的電導(dǎo)率特性，從而改變其有效折射率的虛部或?qū)嵅浚渲校行д凵渎实奶摬颗c吸收損耗相關(guān)，而有效折射率的實部與介質(zhì)的折射率相關(guān)。如圖3所示，化學(xué)勢(施加的電壓)的改變會造成石墨烯有效折射率虛部和實部的改變，當(dāng)化學(xué)勢在0.505 eV到0.525 eV附近，有效折射率的虛部較大，石墨烯表現(xiàn)很強(qiáng)的吸收特性，可以設(shè)計成電吸收強(qiáng)度調(diào)制器，有效折射率的實部則會經(jīng)歷一個較大幅度的跳變，造成相位的突變，可以設(shè)計成相位調(diào)制器。圖Γ圖8給出了光纖橫斷面上本征模場在石墨烯調(diào)制器中隨光纖長度方向上不同位置的變化。初期階段，光纖波導(dǎo)中的模場由于凹槽3的研磨加工凹面的影響，其模場形狀將逐漸產(chǎn)生改變，由于垂直方向受到凹槽3的加工凹面過渡的影響，光模場在垂直方向受約束變形，如圖4，圖5所示，光纖纖芯101部分能量還將溢出光纖波導(dǎo)成為消逝波；在進(jìn)入石墨烯薄膜5區(qū)域后，由于石墨烯復(fù)合層的有效折射率比光纖纖芯101區(qū)要高，石墨烯復(fù)合層起到了對光波傳輸模場的約束作用，光模場逐漸形成石墨烯薄膜5復(fù)合層結(jié)構(gòu)局域約束的傳輸表面等離子體波，并在石墨烯薄膜5的兩端還呈現(xiàn)“耳朵”狀約束的邊緣模場效應(yīng)，如圖6所示。與金屬表面?zhèn)鬏數(shù)牡入x子體不同的是，石墨烯對光模場限制好，傳輸距離可以很長。光纖模場離開石墨烯薄膜5后，失去了由石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的模場約束作用，由于光纖纖芯101研磨區(qū)的的漸變過渡結(jié)構(gòu)，如圖7，圖8所示，光模場重新回到初始狀態(tài)的波導(dǎo)模場分布。
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以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器，其特征在于:包括單模光纖(I)、二氧化硅槽型基片(2)、Al2O3過渡薄層(4)、石墨烯薄膜(5)，二氧化硅槽型基片(2)上設(shè)有單模光纖(1)，并用封裝的環(huán)氧膠固定，在單模光纖(I)上設(shè)有凹槽(3)，凹槽(3)上設(shè)有Al2O3過渡薄層(4)，Al2O3過渡薄層(4)上設(shè)有石墨烯薄膜(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器，其特征在于:所述的單模光纖(I)包括光纖芯層(101)和光纖包層(102)。
3.—種如權(quán)利要求1所述基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器的制作方法，其特征在于:它的步驟包括如下: 1)首先將直徑約為125um的單模光纖(I)置入與光纖外徑相匹配的二氧化硅槽型基片(2)的槽內(nèi)，用環(huán)氧膠固定； 2)在垂直于光纖長度方向進(jìn)行滾圓研磨，去除光纖包層(102)，經(jīng)粗磨后用小于0.5um的金剛石微粉液精磨，再經(jīng)氧化鈰粉拋光，產(chǎn)生光纖芯層(101)研磨區(qū)的凹槽(3)，凹槽深度為光纖芯層(101)的半徑； 3)在凹槽(5)上采用磁控濺射制作一層厚度為5 50nm的Al2O3過渡薄層(4)，采用化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制作一層厚度為0.7nm的石墨烯薄膜(5)，后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移到Al2O3過渡薄層(4)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于石墨烯材料的全光纖電光調(diào)制器及其方法。它包括單模光纖、二氧化硅槽型基片、Al2O3過渡薄層、石墨烯薄膜，二氧化硅槽型基片上設(shè)有單模光纖，并用封裝的環(huán)氧膠固定，在單模光纖設(shè)有凹槽，凹槽設(shè)有Al2O3過渡薄層，Al2O3過渡薄層上設(shè)有石墨烯薄膜。通過變化金屬電極上施加的電壓改變石墨烯的電導(dǎo)率特性，從而改變石墨烯復(fù)合層結(jié)構(gòu)有效折射率的虛部或?qū)嵅浚瑢崿F(xiàn)電吸收強(qiáng)度調(diào)制器或者相位調(diào)制器。本發(fā)明實現(xiàn)全光纖電光調(diào)制器的設(shè)計，具有尺寸和功耗微小，插入損耗低，調(diào)制速度快，有利于光集成等特點。此外由于未引入額外光電子器件，本發(fā)明適用于在全光通信系統(tǒng)中和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中應(yīng)用。
文檔編號G02F1/035GK103176294SQ20131011264
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者周鋒, 郝然, 周金海, 金曉峰, 章獻(xiàn)民, 鄭史烈, 池灝 申請人:浙江大學(xué)