[發(fā)明專利]基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器

有效

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• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106707562B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發(fā)明（設計）人: 裴麗;白冰
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035
• 代理公司: 北京衛(wèi)平智業(yè)專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 董琪

本發(fā)明涉及一種基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器，包括：微細光纖、石墨烯層、平板基底、泵浦光源和掩膜板。具體組合方式為：石墨烯層置于平板基底之上，微細光纖以盤繞的形式置于石墨烯層上，掩膜板位于石墨烯層的上方，泵浦光源設置于掩膜板的上方；泵浦光源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過掩膜板產(chǎn)生衍射條紋照射于石墨烯層上，改變泵浦光的強度調(diào)節(jié)石墨烯層對載波的吸收特性，產(chǎn)生超高速光信號。

技術領域

本發(fā)明屬于通信用光纖器件領域，特別涉及一種基于石墨烯微細光纖的超高速信號發(fā)生器。

背景技術

電光/光電轉(zhuǎn)換是制約高速通信系統(tǒng)的關鍵因素，采用全光控制方法可以有效地繞過電子器件在超高頻下的寄生電容效應(電子瓶頸)，提高通信速度。同時，全光控制方法在光邏輯計算上還有著其他手段無法替代的作用。

OTDM(光時分復用技術)采用延時技術將低速的光信號進行延時后復用而形成超高速光信號,可以實現(xiàn)單信道內(nèi)的超高速通信,是支撐現(xiàn)代通信干線網(wǎng)主體的主要技術。現(xiàn)有的光時分復用技術都要依賴于超短脈沖光源，光脈沖的寬度和重復頻率決定了通信系統(tǒng)最大復用速率。連續(xù)光源加級聯(lián)電吸收調(diào)制器得到的脈沖寬度大約為3ps,對于速度在100Gb/s以上通信系統(tǒng)過寬；鎖模光纖激光器采用諧波鎖模時穩(wěn)定性差，采用閉環(huán)誤差信號反饋控制腔長的方法,可以實現(xiàn)鎖模光纖激光器的長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn),但器件結構復雜；多量子阱混合鎖模半導體激光器芯片成品率極低、需要昂貴的半導體加工設備、器件壽命不如前兩種光源并且目前價格過高。為了提供足夠時延，現(xiàn)有的OTDM復用器的每個臂上采用長光纖,消除干涉現(xiàn)象造成的時延擾動,但是環(huán)境溫度變化會改變延時特性，該種設計不具有長期的穩(wěn)定性。而全偏振型光時分復用器價格昂貴,結構復雜,需要配備可變時延線、可變衰減器和偏振控制器等裝置。另外，這種分臂結構的延時器對于制作有很高的精度要求，不易實現(xiàn)，而且對外界環(huán)境擾動也很敏感。

采用基于連續(xù)光源加更快響應時間的級聯(lián)電吸收調(diào)制器的結構，是簡易、廉價產(chǎn)生高穩(wěn)定超高速信號的更佳手段。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氮原子層平面晶體薄膜，狄拉克錐能帶結構使其具有各種奇特和突出的光電性能(飽和吸收、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、透明電極和導電薄膜已經(jīng)被實驗演示或商品化。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，同時也兼顧集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的考慮。

自2011年加州大學伯克利分校的劉明等人首次實現(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驗被報道，成為目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。繼劉明等人提出條形結構石墨烯電光調(diào)制器后，Grigorenko A N和新加坡國立大學的團隊于2012年分別提出了馬赫增德結構和環(huán)形腔結構的石墨烯電光調(diào)制器，構成了目前三種主要的電光石墨烯調(diào)制結構。條形波導依靠電調(diào)吸收實現(xiàn)調(diào)制，結構簡單，兼容CMOS(互補金屬氧化物半導體)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。馬赫增德結構依靠Pockets效應電壓調(diào)節(jié)材料的折射率，雙臂干涉調(diào)整輸出光功率，光學帶寬大，溫度容差高。環(huán)形諧振結構電調(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。這些結構都使用電壓調(diào)控石墨烯的費米能級改變對光的吸收特性實現(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。但它們的寄生電容使電子回路相當于一個RC低通濾波器(3dB電信號截止頻率f＝1/2πRC，電子瓶頸)，使實驗中最高的調(diào)制速率無法突破1GHz量級，遠低于仿真計算的結果(幾十到幾百GHz)。

將光纖作為波導結構與石墨烯結合使調(diào)制器借助光纖的優(yōu)點：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；光纖結構理論成熟、性能清晰、種類多樣，利于與石墨烯結合設計出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器。

發(fā)明內(nèi)容