[發(fā)明專利]石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器

有效

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• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN108535892B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉忠范;劉開輝;周旭;陳珂
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03;G02F1/035
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 蘇愛華

本發(fā)明提供一種新型的石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器。該器件在光子晶體光纖表面和內(nèi)壁覆蓋石墨烯薄膜，在光纖內(nèi)部充入離子液體與電極接觸制成離子液體電極，通過調(diào)節(jié)電壓改變石墨烯費(fèi)米能級進(jìn)而調(diào)控光在石墨烯光纖的透過率，最終實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。本發(fā)明采用石墨烯光子晶體光纖以及離子液體電極技術(shù)，與其他類似的石墨烯電光調(diào)制器相比有更高的工作帶寬，調(diào)制效率和更低的能量損耗。本發(fā)明提供的新型石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器具有工作頻帶寬，調(diào)制效率高，能量損耗低，制作工藝簡單，與光纖光路系統(tǒng)耦合方便，利于光電系統(tǒng)集成，在光纖通信，傳感器和光互聯(lián)系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通訊，傳感技術(shù)及其光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器。

背景技術(shù)

電光調(diào)制器是利用材料的電光效應(yīng)制成的調(diào)制器件，通過控制電場改變材料的折射率或者吸收率等特性，從而改變輸出光波的相位或者強(qiáng)度，在光通信和激光雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。目前，光纖通信電光調(diào)制器主要是利用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或光纖結(jié)構(gòu)對1550nm波段激光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制帶寬達(dá)160GHz以上，通信速率達(dá)40Gbps。如何提高調(diào)制速率和消光比是影響光纖通信系統(tǒng)帶寬升級的瓶頸問題。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角蜂巢形二維平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯具備超乎優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)，熱學(xué)及機(jī)械性質(zhì)，例如非線性極化率高達(dá)10^-7esu，常溫載流子遷移率超過15000cm²v^-1s^-1，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體材料；其在可見和紅外光波段的透過率高達(dá)97.7％，電導(dǎo)率比銅還高；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石。這些優(yōu)異的光電特性使石墨烯成為理想的飽和吸收體，具有寬波帶、超快響應(yīng)、以及低飽和吸收強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在鎖模或調(diào)Q脈沖激光器等電光調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

離子液體電壓調(diào)控技術(shù)是一個有效調(diào)節(jié)低維材料的載流子濃度和電場強(qiáng)度的技術(shù)，在電子和電化學(xué)器件中用途廣泛。離子液體是完全由離子(通常為含氮有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子)組成的高度極化且具有低熔點(diǎn)的二元鹽類。離子液體具有熱與化學(xué)穩(wěn)定性高、非易失性、無毒性等特點(diǎn)，并且在較寬的溫度范圍內(nèi)都是液態(tài)。離子液體還可以實(shí)現(xiàn)在其電化學(xué)窗口內(nèi)的高電壓，而不會產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。離子液體的相對介電常數(shù)大概在1-10之間,而其介電層的厚度可小到幾納米,電容可達(dá)到約10μFcm^-2(比300nm厚二氧化硅介質(zhì)層的電容大三個量級)，因此調(diào)控低維材料的載流子濃度最高可達(dá)到10¹⁵cm^-2(比二氧化硅介質(zhì)層調(diào)控大兩個數(shù)量級)。而且，離子液體只需要幾伏特的電壓就可以調(diào)控材料的載流子濃度，而二氧化硅介電層需要幾十上百伏特電壓。因此，離子液體作為電光器件電極材料具有高效，低損耗等優(yōu)點(diǎn)。

石墨烯電光調(diào)制器是通過對石墨烯施加電壓使其費(fèi)米能級改變而實(shí)現(xiàn)控制激光開關(guān)的功能。當(dāng)施加足夠電壓使石墨烯費(fèi)米能級相對狄拉克點(diǎn)上升或下降至入射光子能量一半的位置時，入射光子由于泡利阻塞效應(yīng)無法激發(fā)電子空穴對，從而出現(xiàn)可飽和吸收或吸收漂白現(xiàn)象，此時石墨烯不吸收激光，激光完全“打開”。反正，當(dāng)費(fèi)米能級位置移動不滿足上述條件時，石墨烯電子吸收入射光子能量產(chǎn)生躍遷，此時石墨烯吸收激光，激光被“關(guān)斷”。在激光調(diào)制過程中，輸出光功率在開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)下的比值為調(diào)制消光比，是衡量電光調(diào)制器性能的重要指標(biāo)。而單層石墨烯的吸收率為2.3％，最高可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制消光比約為-0.1dB，因此必須設(shè)計特殊的石墨烯光纖結(jié)構(gòu)提高調(diào)制消光比，和特殊器件結(jié)構(gòu)降低調(diào)制電壓和功耗，用以滿足高調(diào)制效率，低損耗的電光調(diào)制器的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種寬頻帶、高調(diào)制效率和低損耗的石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器。

一種石墨烯光子晶體光纖液態(tài)電極電光調(diào)制器，其特征在于，所述光子晶體光纖包括空氣孔，在表面覆蓋石墨烯薄膜的所述空氣孔內(nèi)充滿離子液體，在光子晶體兩端形成電極從而得到所述電光調(diào)制器。