[發明專利]基于石墨烯柵層微細光纖的電光空間超快調制器

在審

• 申請號: 201611037597.2
• 申請日: 2016-11-23
• 公開（公告）號: CN106773145A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 白冰;裴麗
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙)11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明屬于通信用光纖器件領域，具體說是一種電光空間調制器。尤指一種基于石墨烯柵層微細光纖的電光空間超快調制器。

背景技術

光調制器對載波操作，將調制信號摻入載波的幅度、相位或偏振等性質，實現信號加載，是光通信系統中的關鍵器件。

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，狄拉克錐能帶結構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)。基于這些特性的光調制器、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被實驗演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調制器在調制速度方面展現了其他材料調制器無法比擬的優勢，同時還兼顧了集成性、調制深度、調制帶寬和功耗等方面的考慮。

基于石墨烯的電光調制器都是通過改變電壓調控石墨烯的費米能級，控制石墨烯對載波的傳輸和吸收性能實現調制，同時石墨烯超快的載流子弛豫速度使得這種調制的速度可以非常快(幾百fs到幾ps)。超寬波長調制范圍，大調制深度，低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調制的優點。自2011年加州大學伯克利分校的劉明等人首次實現石墨烯電光調制以來，大量石墨烯電光調制器的仿真計算和實驗被報道，是目前基于石墨烯調制研究的主要方向。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形腔結構的石墨烯電光調制器，構成了目前三種主要的電光石墨烯調制結構。條形波導依靠電調吸收實現調制，結構簡單，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。馬赫增德結構依靠Pockets效應電壓調節材料的折射率，雙臂干涉調整輸出光功率，光學帶寬大，溫度容差高。環形諧振結構電調節環內諧振效果，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控石墨烯的費米能級改變對光的吸收特性實現光調制，在調制速率(仿真計算)、調制深度、調制帶寬、面積效率和功耗等方面都展示了非常優良的性能。

將光纖作為波導結構與石墨烯結合又會使調制器借助光纖的優點：調制器與現有光纖通信系統兼容，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良的調制器。

需要注意的是，已有的調制器都是采用空間上單點調制的方式，這樣產生的已調信號的速度等于調制信號速度，當需要在載波中加載超高頻率的信號時就需要超高速的調制信號，而產生超快電信號的高速電路與產生超高重復頻率光脈沖序列的光系統都是難于制作的，也是昂貴的。光時分復用是產生高速信號的一種有效辦法，但是光時分復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。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于石墨烯柵層微細光纖的電光空間超快調制器，旨在實現電信號在光域的靈活加載和超快加載。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：

基于石墨烯柵層微細光纖的電光空間超快調制器，包括：微細光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3、負電極陣列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中的石墨烯單元數量決定了控制電壓信號的加載速度；

石墨烯柵層2設于平板基底5上，

微細光纖1設于石墨烯柵層2上，

正電極陣列3含若干正電極單元，

負電極陣列4含若干負電極單元，

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、正電極單元和負電極單元的數量相同。

在上述技術方案基礎上，石墨烯柵層2的層數小于10；石墨烯柵層2的層數影響調制深度，即對光載波的吸收能力。

在上述技術方案基礎上，微細光纖1的直徑為1微米到20微米；微細光纖1的直徑影響調制深度和插入損耗。

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

在上述技術方案基礎上，石墨烯柵層2中各石墨烯單元的寬度相同，長度相同。

在上述技術方案基礎上，微細光纖1的兩端位于石墨烯柵層2之外。

在上述技術方案基礎上，微細光纖1的軸向平行于各石墨烯單元中點的連接線。