本發(fā)明屬于通信用光纖器件領(lǐng)域，具體說是一種電光空間調(diào)制器。尤指一種基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器。

背景技術(shù)：

光調(diào)制器對載波操作，將調(diào)制信號摻入載波的幅度、相位或偏振等性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)信號加載，是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。

石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道組成正六邊形呈蜂窩狀晶格的二位碳原子層平面晶體薄膜，狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使其具有各種奇特和突出的光電性能(飽和吸收和超快載流子躍遷和弛豫過程等)?；谶@些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導(dǎo)電薄膜已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調(diào)制器在調(diào)制速度方面展現(xiàn)了其他材料調(diào)制器無法比擬的優(yōu)勢，同時還兼顧了集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的考慮。

基于石墨烯的電光調(diào)制器都是通過改變電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級，控制石墨烯對載波的傳輸和吸收性能實(shí)現(xiàn)調(diào)制，同時石墨烯超快的載流子弛豫速度使得這種調(diào)制的速度可以非常快(幾百fs到幾ps)。超寬波長調(diào)制范圍，大調(diào)制深度，低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。自2011年加州大學(xué)伯克利分校的劉明等人首次實(shí)現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制以來，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計算和實(shí)驗(yàn)被報道，是目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。繼劉明等人提出條形結(jié)構(gòu)石墨烯電光調(diào)器后，Grigorenko A N和新加坡國立大學(xué)的團(tuán)隊于2012年分別提出了馬赫增德結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的石墨烯電光調(diào)制器，構(gòu)成了目前三種主要的電光石墨烯調(diào)制結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)依靠電調(diào)吸收實(shí)現(xiàn)調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單，兼容CMOS工藝，但插入損耗和器件能耗大，需要克服電極部分的材料電阻的問題。馬赫增德結(jié)構(gòu)依靠Pockets效應(yīng)電壓調(diào)節(jié)材料的折射率，雙臂干涉調(diào)整輸出光功率，光學(xué)帶寬大，溫度容差高。環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)電調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)諧振效果，具有較大的消光比和較小的器件尺寸。這些結(jié)構(gòu)都使用電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級改變對光的吸收特性實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，在調(diào)制速率(仿真計算)、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬、面積效率和功耗等方面都展示了非常優(yōu)良的性能。

將光纖作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合又會使調(diào)制器借助光纖的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制器與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，極低的輸入輸出耦合損耗；光可以在光纖中以基模傳輸，極低的傳輸損耗；光纖結(jié)構(gòu)理論成熟、性能清晰、種類多樣，利于與石墨烯結(jié)合設(shè)計出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器。

需要注意的是，已有的調(diào)制器都是采用空間上單點(diǎn)調(diào)制的方式，這樣產(chǎn)生的已調(diào)信號的速度等于調(diào)制信號速度，當(dāng)需要在載波中加載超高頻率的信號時就需要超高速的調(diào)制信號，而產(chǎn)生超快電信號的高速電路與產(chǎn)生超高重復(fù)頻率光脈沖序列的光系統(tǒng)都是難于制作的，也是昂貴的。光時分復(fù)用是產(chǎn)生高速信號的一種有效辦法，但是光時分復(fù)用器對制作精度要求很高，而且對溫度敏感，同時其本身需要很窄的脈沖光作為光源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器，旨在實(shí)現(xiàn)電信號在光域的靈活加載和超快加載。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器，包括：微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3、負(fù)電極陣列4和平板基底5；

石墨烯柵層2由至少兩個相互平行的石墨烯單元組成，石墨烯柵層2中的石墨烯單元數(shù)量決定了控制電壓信號的加載速度；

石墨烯柵層2設(shè)于平板基底5上，

微細(xì)光纖1設(shè)于石墨烯柵層2上，

正電極陣列3含若干正電極單元，

負(fù)電極陣列4含若干負(fù)電極單元，

每個石墨烯單元的一端連接一個正電極單元，另一端連接一個負(fù)電極單元，以施加該空間電信號陣列；石墨烯單元、正電極單元和負(fù)電極單元的數(shù)量相同。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，石墨烯柵層2的層數(shù)小于10；石墨烯柵層2的層數(shù)影響調(diào)制深度，即對光載波的吸收能力。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，微細(xì)光纖1的直徑為1微米到20微米；微細(xì)光纖1的直徑影響調(diào)制深度和插入損耗。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，石墨烯柵層2中石墨烯單元按照相同的空間周期重復(fù)排列，相鄰兩個石墨烯單元的間距為百微米量級；該參數(shù)影響調(diào)制速度。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，石墨烯柵層2中各石墨烯單元的寬度相同，長度相同。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，微細(xì)光纖1的兩端位于石墨烯柵層2之外。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，微細(xì)光纖1的軸向平行于各石墨烯單元中點(diǎn)的連接線。

在上述技術(shù)方案基礎(chǔ)上，石墨烯柵層2通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5之上。

一種信號調(diào)制方法，使用上述任一所述基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器進(jìn)行。

在上述信號調(diào)制方法中，包括：將調(diào)制信號編輯成隨時間變化的空間電信號陣列，通過對各石墨烯單元兩端正電極單元和負(fù)電極單元組成的各正負(fù)電極對之間電壓的控制以施加隨時間變化的空間電信號陣列，達(dá)到將任意的調(diào)制信號加載到載波上的目的。

本發(fā)明將高重復(fù)頻率的調(diào)制信號在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的調(diào)制信號，在光波導(dǎo)的不同位置同時加載，對載波的不同空間部分進(jìn)行同時調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱為空間調(diào)制。

本發(fā)明基本原理：微細(xì)光纖具有強(qiáng)烈的倏逝場，將載波擴(kuò)散到石墨烯柵層中接受調(diào)制。電極陣列的各正負(fù)電極對分別向石墨烯柵層中其對應(yīng)石墨烯柵層中的石墨烯單元同時施加電壓，同時改變各石墨烯柵層中的石墨烯單元的費(fèi)米能級，從而調(diào)節(jié)其對所在空間位置載波的吸收能力。調(diào)制信號被編輯為電極陣列產(chǎn)生的隨時間變化的空間電信號陣列施加在石墨烯柵層上，使石墨烯柵層的吸收特性在沿微細(xì)光纖軸向形成與空間電信號陣列相同的空間分布，再對載波進(jìn)行可調(diào)的多位置吸收(吸收位置為0信號，不吸收位置為1信號)。石墨烯超短的載流子弛豫時間使單個吸收位置的空間寬度可以很窄同時不犧牲調(diào)制深度，因此石墨烯柵層可以產(chǎn)生超高密度的已調(diào)信號，也減小了器件整體尺寸。微細(xì)光纖軸方向大尺寸的石墨烯柵層可以通過同一時間點(diǎn)加載大量信息來降低所需的電極陣列所加電壓的變化速度，從而以很低的調(diào)制速度實(shí)現(xiàn)超高密度的信號調(diào)制，達(dá)到超快調(diào)制的效果。

本發(fā)明所提供的基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器的有益效果如下：

(1)空間電信號陣列和空間調(diào)制的信息加載方式相組合，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)調(diào)制方式，使大量信息可以在同一時刻加載，降低了實(shí)際加載控制的速率，解決了單點(diǎn)調(diào)制時超快信號源難以獲得的問題。

(2)該調(diào)制器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)(指重復(fù)的石墨烯單元形成的石墨烯柵層2)易于制作(通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5之上)，可以精確控制各個低速調(diào)制點(diǎn)信號的組合。

(3)該調(diào)制器對使用環(huán)境不敏感。

(4)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時間、超寬波長調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢。

(5)微細(xì)光纖作為基本波導(dǎo)，與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，具有極低的輸入輸出耦合損耗；載波在微細(xì)光纖中以基模傳輸，具有極低的傳輸損耗。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1為基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2實(shí)施例1中各正負(fù)電極對間電壓隨時間變化情況。

圖3實(shí)施例1中的超快調(diào)制效果。

圖4實(shí)施例2中正負(fù)電極對(32,42)、(35,45)、(36,46)、(310,410)、(311,411)、(312,412)間電壓隨時間變化情況。

圖5實(shí)施例2中正負(fù)電極對(31,41)、(33,43)、(34,44)、(37,47)、(38,48)、(39,49)間電壓隨時間變化情況。

圖6實(shí)施例2中的超快調(diào)制效果。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1、基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器

基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器包括：微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2(由12個相互平行的石墨烯單元21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212組成，各石墨烯單元的寬度和長度相同)、正電極陣列3(由正電極單元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312組成)、負(fù)電極陣列4(由負(fù)電極單元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412組成)、平板基底5(圖1)。

組合方式為：石墨烯柵層2通過激光刻寫的方法設(shè)于平板基底5上，微細(xì)光纖1設(shè)于石墨烯柵層2上，微細(xì)光纖1的兩端位于石墨烯柵層2之外，且微細(xì)光纖1的軸向平行于各石墨烯單元中點(diǎn)的連接線，每個石墨烯單元的一端連接一個正電極單元，另一端連接一個負(fù)電極單元。與同一個石墨烯單元連接的正電極單元和負(fù)電極單元即為正負(fù)電極對。

微細(xì)光纖1直徑為8μm，石墨烯柵層2中每個石墨烯單元的寬度為600μm，相鄰兩個石墨烯單元的間距為600μm，石墨烯單元數(shù)12，整個平板基底5平面尺寸為長×寬為15mm×1mm。所用石墨烯柵層2的層數(shù)為1。

載波從微細(xì)光纖1一端通入，在微細(xì)光纖1另一端即輸出端檢測輸出經(jīng)過調(diào)制的信號。將調(diào)制信號[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]編輯為隨時間變化的空間電信號陣列，體現(xiàn)在各個正負(fù)電極對上電信號都為圖2所示，各正負(fù)電極對產(chǎn)生的電壓施加在各正負(fù)電極對對應(yīng)的石墨烯柵層2中的石墨烯單元上，可知電信號變化頻率為21Ghz。微細(xì)光纖1輸出端可得到與調(diào)制信號[0 0 0 0 0 0……0 0 0 0 0 0]對應(yīng)的已調(diào)信號時間波形，圖3為其單個時間周期內(nèi)的時間波形，重復(fù)頻率為250Ghz，即調(diào)制頻率。

實(shí)施例2、基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器

基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光空間超快調(diào)制器包括：微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2(由12個相互平行的石墨烯單元21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212組成，各石墨烯單元的寬度和長度相同)、正電極陣列3(由正電極單元31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312組成)、負(fù)電極陣列4(由負(fù)電極單元41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412組成)、平板基底5(圖1)。

組合方式為：石墨烯柵層2設(shè)于平板基底5上，微細(xì)光纖1設(shè)于石墨烯柵層2上，微細(xì)光纖1的兩端位于石墨烯柵層2之外，且微細(xì)光纖1的軸向平行于各石墨烯單元中點(diǎn)的連接線，每個石墨烯單元的一端連接一個正電極單元，另一端連接一個負(fù)電極單元。與同一個石墨烯單元連接的正電極單元和負(fù)電極單元即為正負(fù)電極對。

微細(xì)光纖1直徑為1μm，石墨烯柵層2中每個石墨烯單元寬度為300μm，相鄰兩個石墨烯單元的間距為300μm，石墨烯單元數(shù)12，整個平板基底5平面尺寸長×寬為7.5mm×1mm。所用石墨烯柵層2的層數(shù)為2。

載波從微細(xì)光纖1一端通入，在微細(xì)光纖1另一端即輸出端檢測輸出經(jīng)過調(diào)制的信號。將調(diào)制信號[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1……0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1]編輯為隨時間變化的空間電信號陣列，正負(fù)電極對(32,42)、(35,45)、(36,46)、(310,410)、(311,411)、(312,412)電壓變化如圖4所示，正負(fù)電極對(31,41)、(33,43)、(34,44)、(37,47)、(38,48)、(39,49)電壓變化如圖5所示，各正負(fù)電極對產(chǎn)生的電壓對施加在各正負(fù)電極對對應(yīng)的石墨烯柵層2中的石墨烯單元上，可知電信號變化頻率為42Ghz。微細(xì)光纖1輸出端可得到與調(diào)制信號[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1……0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1]對應(yīng)的已調(diào)信號時間波形，圖6為其單個時間周期內(nèi)的時間波形，重復(fù)頻率為500Ghz，即調(diào)制頻率。

本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。