[發明專利]一種基于石墨烯材料的全光纖電光調制器及其方法

有效

• 申請號: 201310112643.0
• 申請日: 2013-04-02
• 公開（公告）號: CN103176294A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 周鋒;郝然;周金海;金曉峰;章獻民;鄭史烈;池灝
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明屬于光通信、傳感技術及其光電子器件領域，尤其涉及一種基于石墨烯材料的全光纖電光調制器及其方法。

背景技術

信息社會中,?數據通信和因特網的日益發展促使市場對傳輸速率和通信容量需求不斷增加,?從而對光傳輸網絡的需求量也迅速增長,?在大容量光傳輸系統中,?對光信號的高速調制必不可少。光調制器是高速、長距離光通信的關鍵器件，也是最重要的集成光學器件之一。光調制器按照其調制原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等。其中電光調制器在損耗、功耗、速度、集成性等方面都優于其他類型的調制器，因此最具前景并成為研究熱點。電光調制器的原理是利用晶體的電光效應，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度。

近些年來，由于LiNbO₃波導的低損耗、高電光效率等特性，LiNbO₃電光（EO）調制器已成為高速光通信系統中最有前途的器件，其中基于馬赫-曾德(MZ)波導結構的LiNbO₃行波調制器已經成為現有系統中使用最廣泛的調制器。

然而這種調制器的缺點是半波電壓目前較高，調制效率較低，且由于是LiNbO₃器件，無法做到全光纖化。

自英國曼徹斯特大學物理學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構和優異的性能，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體材料，其能帶結構在K空間呈對頂的雙錐形，費米能級在迪拉克點之上。由于單原子結構的特殊性，在迪拉克點處的電子態密度很低，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生移動，從而改變整體材料的電導率等性質。當外加電壓很小時，材料的電導率實部與虛部都為正數，石墨烯整體展現出介質的性質；當外加電壓達到某一臨界值時，電導率的實部和虛部都趨于零，石墨烯整體展現出半金屬的性質；當外加電壓大于某一臨界值時，其電導率的實部為負數，石墨烯整體展現出金屬的性質。通過利用石墨烯的介質、半金屬、金屬特性，可以控制光與石墨烯之間發生耦合作用，設計出具有很高的調制效率及低半波電壓的電光調制器。

現有的光通信系統中大量使用獨立封裝的單個調制器，基于波導結構的石墨烯調制器需要在其兩端連接光纖，以便與光通信系統兼容；同時波導與光纖之間耦合會產生較大的損耗；而波導封裝的成本也也會增加器件的成本。因此設計一種廉價、低損耗的新型的石墨烯電光調制器具有重要的意義。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于石墨烯材料的全光纖電光調制器及其方法。

基于石墨烯材料的全光纖電光調制器包括單模光纖、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有單模光纖，并用封裝的環氧膠固定，在單模光纖上設有凹槽，凹槽上設有Al₂O₃過渡薄層，Al₂O₃過渡薄層上設有石墨烯薄膜。

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的單模光纖置入與光纖外徑相匹配的二氧化硅槽型基片的槽內，用環氧膠固定；

2）在垂直于光纖長度方向進行滾圓研磨，去除光纖包層，經粗磨后用小于0.5um的金剛石微粉液精磨，再經氧化鈰粉拋光，產生光纖芯層研磨區的凹槽，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，后再進行轉移到Al₂O₃過渡薄層上。