[發明專利]石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調制器

有效

• 申請號: 201210067024.X
• 申請日: 2012-03-15
• 公開（公告）號: CN102591041A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 吳宇;易瑋琪;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術領域

本發明屬于光通信及其傳感傳輸技術領域，提供了一種石墨烯薄膜D型光纖集成式在線電光調制器。?

背景技術

作為現代通信的主要形式，光纖通信有著寬頻帶、低損耗、大容量、可靠性高等特點。隨著高速傳輸系統的快速發展，人們對帶寬的要求也日益提高。作為光通信的一個重要組成部分，光調制也越來越受到人們的重視。光調制技術的作用是將比特信號加載到光波上，即通過連續的開關作用產生受調制的光脈沖。按照調制器的工作原理，光調制器可以分為電光調制器、聲光調制器、磁光調制器和電致吸收調制器。而電光調制能直接和電路通信系統結合，是其中最成熟、應用最廣泛的一種技術。?

傳統的電光調制器的工作原理是利用介質的線性電光效應，即Pockles效應來工作的。在外加電壓的作用下，介質的有效折射率線性變化，調制輸出光的強度，產生脈沖信號。其結構一般由起偏器、電光晶體、偏置電極、檢偏器和信號放大器串聯而成，光信號通過起偏器后進入電光晶體，電光晶體在電信號的作用下按調制要求改變折射率，使光信號被調制出不同的偏振態，經過檢偏器后呈現出不同的強度，從而產生調制脈沖序列。當前，商用的電光調制器有磷酸氧鈦鉀晶體調制器、鈮酸鋰晶體調制器、單晶硅調制器等。?

隨著用戶需求的日益提高，傳統的電光調制器的眾多局限性，已經成為通信科學發展不可忽視的瓶頸。首先，傳統電光調制器尺寸一般為幾毫米到幾十厘米,體積較大，器件與光纖系統之間的插入損耗較大，不便于集成化和微系統應用；第二，調制晶體材料的物理化學性質不夠穩定，使得電光調制器易受溫度濕度以及光破壞閾值等的影響；第三，傳統電光調制器的驅動電壓一般為幾伏到幾百伏，需要較高的閾值電壓，能耗高、產熱多、噪聲大；第四，由于電光晶體，折射率均勻性不夠高，吸收散射損耗較大，所以傳統電光調制器能量浪費嚴重；第五，不同的晶體對透射光波頻段有選擇性，通常只有幾十納米，導致傳統電光調制器帶寬不夠寬，而大尺寸、高驅動電壓也使得其傳輸速率慢、有較大的響應延遲，無法滿足高效率無畸變的傳輸要求，不利于波分復用和寬帶調制；第六，傳統電光調制器一般是基于偏振控制光強，對系統的精度有很高的要求，易受干擾，系統穩定性不夠高。?

石墨烯是一種碳原子呈六角蜂巢晶格排列的新型二維材料，也是目前世界上最薄也是最堅硬的納米材料。其厚度僅一個碳原子直徑（約10nm）；導電性強，電阻率只有約10-9歐姆，遠小于銅、銀等金屬；對光的吸收很低，僅為2.3%，通光性良好；化學性質穩定，不易氧化。石墨烯對光的吸收性質是由其費米能級決定的。在沒有施加外電壓時，石墨烯的費米能級接近狄拉克點。此時，射入頻率為v0的光，會被石墨烯間帶中的電子吸收以改變電子能級，光被電子吸收得越多，則波導效應越弱。當施加一個負電壓（通常小于-1V）時，導帶擴大，禁帶壓縮，費米能級降低遠離狄拉克點以下，在帶間沒有能吸收光能的束縛電子，故而對光信號表現為導通。當施加一個足夠大的正電壓（通常大于3.8V）時，費米能級升高，高于狄拉克點，此時，禁帶比例擴大，帶間傳輸的光被大量吸收，表現為光阻。通過調節石墨烯層的偏置電壓，可以調節其費米能級，進而實現對石墨烯表面傳導光的通斷操作，達到了用電信號調制光信號的目的。?

現代光網絡中使用的許多串聯設備都有與單模光纖對接的問題，結果導致插入損耗增加、功率反射以及設備完整性較差等問題。其解決方法之一就是使用單面拋光的單模光纖。D型光纖，是通過對單模光纖的一段進行單面拋光過后形成的新結構光纖，由于其橫截面形狀類似字母“D”,?故稱為D型光纖。當光在纖芯中傳輸時，由于導光部分接近于拋光面，一部分光會以倏逝波的形式在拋光面上傳播，?因此D型光纖可以構成各種表面光倏逝波的傳感器件以及各種集成式光光控制和通信器件等。?