[发明专利]石墨烯-微纳光纤复合结构电光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及光通信及其传感传输技术领域，具体涉及一种光信号的调制装置。

背景技术

光通信技术作为现代通信骨干网的核心，支撑着当代的信息工业。光调制技术是光通信的基础，其作用是将比特信号加载到光波上，即通过连续的开关作用产生受调制的光脉冲。基于电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等原理，人们开发出了各种光调制器件。

电光调制能直接和电路通信系统结合，是其中最成熟、应用最广泛的一种技术。传统的电光调制器的工作原理是利用某些晶体有效折射率随外加电场强度改变而改变的特性，调制输出光的强度，以产生脉冲信号的，其结构一般由起偏器、电光晶体、偏置电极、检偏器和信号放大器串联而成，光信号通过起偏器后进入电光晶体，电光晶体在电信号的作用下按调制要求改变折射率，使光信号被调制出不同的偏正态，经过检偏器后呈现出不同的强度，从而产生调制脉冲序列。当前，商用的电光调制器有磷酸氧钛钾晶体调制器、铌酸锂晶体调制器、单晶硅调制器等等。

但是，传统的电光调制器有很多局限性，越来越成为通信科学发展的瓶颈。首先，传统电光调制器体积大，尺寸一般为几毫米到几十厘米，既不便于集成化操作又不便于微系统应用；第二，传统电光调制器能耗高，其驱动电压一般为几伏到几百伏，有较大的阈值、功耗、产热、噪声和危险性；第三，传统电光调制器损耗大，电光晶体的衰减可达20%-30%，能量浪费严重；第四，传统电光调制器带宽小、速率慢、有较大的响应延迟，不同的晶体对透射光波频段有选择性，通常只有几十纳米，而大尺寸、高驱动电压也限制了器件的响应速度，不利于波分复用和宽带调制；第五，传统电光调制器，基于偏振控制光强，要求很高的系统精度，容易被干扰，有不稳定的系统误差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是：传统电光调制器体积大、能耗高、制备成本高、带宽窄、易干扰等缺陷。

石墨烯，作为一种新的二维材料，性能优越。其尺寸微小，厚度为一个碳原子直径（~10nm）；导电性强，电阻远小于金、银等金属（~9-10欧姆）；通光性好，单层石墨烯透光率为97.7%；化学性质稳定，不易氧化。石墨烯对光的吸收性能由其费米能级决定。在没有施加外电压时，石墨烯的费米能级接近狄拉克点。此时，射入频率为v0的光，会被石墨烯间带中的电子吸收以改变电子能级，光被电子吸收得越多，则波导效应越弱。当施加一个负电压（通常小于-1V）时，导带扩大，禁带压缩，费米能级降低远离狄拉克点以下，在带间没有能吸收光能的束缚电子，故而对光信号表现为导通。进而，当施加一个足够的正电压（通常大于3.8V）时，费米能级升高，高于狄拉克点，此时，禁带比例扩大，带间传输的光被大量吸收，表现为光阻。通过有节律的调节石墨烯层的偏置电压，可以调节其费米能级，进而实现对石墨烯表面传导光的通断操作，达到了用电信号调制光信号的目的。

微光纤，又称亚波长光波导线，其纤芯直径与传导波波长在同一数量级，光以倏逝场形式沿微光纤传播，对纤芯外环境非常敏感。基于电磁理论，沿微光纤传播的光波能量分布受微光纤直径和形态影响，直径越小的微光纤倏逝场效应越明显，在纤外也有更多能量比例，光纤外分布的高阶模易于与贴近微光纤的其他波导相耦合。

基于上述石墨烯和微光纤的特性，解决现有技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种石墨烯-微纳光纤复合结构电光调制器，其特征在于，包括基片、微光纤、石墨烯薄膜、金丝电极和紫外胶；所述微光纤先固定在基片上，再在微光纤上覆盖石墨烯薄膜，所述两金丝电极附贴在石墨烯薄膜的边缘，最后用紫外胶将微光纤、石墨烯薄膜和金丝电极封装在基片上，仅留出微光纤接头和金丝电极接头。

所述微光纤接头通过单模光纤接入光路连接，传播光载波信号。

所述金丝电极接头连接电调制信号，控制微光纤附近的倏逝场强度。

所述基片为二氧化硅基片，所述微光纤的直径约为0.5~2um。

所述覆盖在微光纤上的石墨烯薄膜为单层。

本发明的工作过程为：输入光信号沿着微光纤在基片和石墨烯覆盖层之间传播，强度不变，电调制信号通过金丝电极施加到石墨烯薄膜的两侧，产生偏置电场，有节律的改变石墨烯的光导通率，偏置电压为负时石墨烯表现为通光，偏置电压为正时石墨烯表现为阻光，进而使沿石墨烯薄膜传道的倏逝场强度随电调制信号改变，在输出端得到受电信号调制的光脉冲序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：