[發明專利]基于石墨烯光波導的全光調制器及其調制方法

有效

• 申請號: 201810178613.2
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN108388061B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 劉忠范;劉開輝;周旭
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02F2/00
• 分類號: G02F2/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 蘇愛華

一種基于石墨烯光波導的全光調制器及其調制方法，所述調制器包括光波導，在所述光波導的部分表面上設置有石墨烯。所述全光調制器具有尺寸小，工作頻帶寬，工作波長范圍大，響應速度快，與光纖光路系統耦合方便，有利于光集成等特點，可廣泛應用于光纖通信、傳感器，激光雷達,光集成系統，全光通訊等領域。

技術領域

本發明屬于光通訊,傳感技術及光學器件領域,涉及一種光學器件，特別是涉及一種全光調制器及其方法。

背景技術

光調制器是一種重要的光學器件，用于調節光強，光相位和光偏振等參量。光調制器是高速、短距離光通信的關鍵器件，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，一般可分為聲光調制器，電光調制器、熱光調制器、全光調制器等，它們所依據的基本理論是各種不同形式的聲光效應，電光效應、磁光效應、Franz-Keldysh效應、量子阱Stark效應、載流子色散效應等。其中(1)電光調制器是通過電壓改變晶體折射率達到改變輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。(2)磁光調制器是利用光通過磁光晶體(如釔鐵石榴石)時，在磁場作用下其偏振面可發生旋轉實現光調制；(3)聲光調制器是利用材料(如鈮酸鋰)在聲波作用下產生應變而引起折射率變化即光彈效應實現光調制；(4)全光調制器是利用一束光去改變介質材料折射率，吸光率等參量從而控制另一束光的光強，相位和偏振等光學參量的目的的一種光調制器。在整體光通信的光發射、傳輸、接收過程中,光調制器被用于控制光的強度,其作用是非常重要的。

石墨烯是一種由碳元素構成的二維材料，單層石墨烯只有大約0.3納米厚度。石墨烯具有非常優異的電學，光學和熱學性質，同時它還有比鉆石更高的機械強度，比銅和銀更高的導電性，以及非常好的導熱性和熱穩定性。它的電子能帶結構呈現錐形，是一種半金屬或者零帶隙半導體材料，所以具有非常好的導電性。它在可見和紅外光波段透射率約高達97.7％，也就是說在很寬的光譜范圍仍然具有恒定的吸光率(≈2.3％)。通過場效應晶體管的柵壓調控技術或者光泵浦技術，可以使石墨烯價帶的電子激發到導帶。由于泡利不相容原理，如果入射的光子能量小于2倍費米能級改變量，則該光子不能被吸收，價帶的電子不能被激發到導帶，此時石墨烯被漂白，即理論上透射率變為100％。反之，如果價帶電子沒被激發到導帶，或者入射光光子能量大于2倍費米能級改變量，則該光子仍能被吸收，石墨烯吸光率仍約為2.3％。并且根據文獻報道(Liu M,Yin X,Ulinavila E,et al.A graphene-based broadband optical modulator[J].Nature,2011,474(7349):64-67)理論上石墨烯光吸收調制速度能高達500GHz，主要受限于石墨烯的質量和載流子濃度。

光波導是引導光波在其中傳播的介質裝置，又稱介質光波導。光波導有兩大類：一類是集成光波導，包括平面(薄膜)介質光波導和條形介質光波導，它們通常都是光電集成器件(或系統)中的一部分，所以叫作集成光波導；另一類是圓柱形光波導，通常稱為光纖。平面介質光波導是最簡單的光波導，它是用折射率為n₂的硅(或砷化鎵，或玻璃)作基片，用微電子工藝在它上面鍍一層折射率為n₁的介質膜，再加上折射率為n₃的覆蓋層(或者空氣層)制成。通常取n₁n₂n₃，以便將光波局限在介質膜內傳播。條形介質光波導是在折射率為n₂的基體中產生一個折射率為n₁的長條，取n₁n₂，以便將光波局限在長條內傳播。這種光波導常用作光的分路器、耦合器、開關等功能器件。