[发明专利]基于双层石墨烯的双芯光纤电光调制器

说明书

本发明提供的是一种基于双层石墨烯的双芯光纤电光调制器。其特征是：它由双芯光纤的包层1、双纤芯2、石墨烯层3、Al₂O₃过渡层4、有机材料PVB层5、电极6组成。具体是通过熔拉的方法来制备双芯光纤，在双芯光纤的中间段利用侧面抛磨的方法形成D型的抛磨区，进而在D型的抛磨区通过化学气相沉积的方法生长第一层石墨烯3‑1。在第一层石墨烯上覆盖折射率较大的Al₂O₃层4，Al₂O₃层4上机械转移第二层石墨烯3‑2，与第一层石墨烯3‑1通过电极6施加外加电压调节其费米能级。在第二层石墨烯3‑2上覆盖有机材料PVB层5。本发明可用于光纤通信波段构建高调制效率及调制速率、低调制电压和插入损耗的集成型光纤调制器件，可广泛用于光纤通信、光纤传感系统等领域。

技术领域

本发明涉及的是一种基于双层石墨烯的双芯光纤电光调制器，可用于光纤通信波段构建高调制效率及调制速率、低调制电压和插入损耗的集成型光纤调制器件，属于光纤通信、光纤传感技术领域。

背景技术

随着社会的发展，人类掌握的知识和产生的信息呈指数级爆炸式增长，这对信息网络的传输容量、处理速度提出了巨大的挑战。超大容量、超长距离的密集波分复用(DWDM)光纤通信系统的实施和全光纤网络技术的稳步推进和飞速发展，对全光纤化、小体积、低功耗的集成光调制器提出了大量需求。而目前光网络中主要使用的铌酸锂光调制器，虽具有调制带宽大的优点，但是由于电光系数较低，导致铌酸锂调制器灵敏度较低，半波电压较高，且器件结构复杂、难以实现器件全光纤化。

为了提高电光调制器的性能、调制效率、增加调制带宽、降低半波电压、缩小器件尺寸，人们提出了大量新型调制器方案。其中石墨烯因其特殊电光特性迅速成为高速电光调制研究的热点领域。无外界电压的情况下，石墨烯是零带隙半导体结构，费米面的位置与狄拉克点重合，可以通过电压调控的方法移动费米能级，改变石墨烯的光学特性，实现动态可调光学功能器件，这也是石墨烯光调制器的物理基础。

2011年，加州大学伯克利分校的张翔研究组成功制备了第一个石墨烯电光调制器。验证了石墨烯材料实现光调制器的可行性，在40μm调制长度上实现了1.35μm～1.60μm的宽谱调制，3dB调制带宽1.2GHz，消光比4dB。

在全光纤波导结构光调制器研究方面，2014年，浙江大学童利民研究组设计了一种基于石墨烯涂覆微纳光纤结构的全光调制器。通过微纳光纤的倏逝场特性和导波效应提高石墨烯与光场之间的相互作用，可实现38％的调制效率和2.2ps的响应时间。为了进一步增加调制深度，S.Yu等人，提出一种基于M-Z干涉仪结构的石墨烯微纳光纤全光调制器，使用石墨烯覆盖的微纳光纤作为M-Z单臂中的相位调制器，调制深度是普通石墨烯涂覆微纳结构光纤调制器的4.6倍。X.Gan等人利用石墨烯光热效应实现的微纳结构光纤相位调制中，使用5mm长度的石墨烯微纳光纤，实现了超过21p的相位延迟。此类石墨烯涂覆微纳光纤结构的光调制器虽为全光纤结构，但是存在石墨烯与光场耦合作用较弱，器件制备困难，成本较高，结构脆弱，难以实现规模化应用等缺点。

本发明公开了一种基于双层石墨烯的双芯光纤电光调制器。可用于光纤通信波段构建高调制效率及调制速率、低调制电压和插入损耗的集成型光纤调制器件，可广泛用于光纤通信、光纤传感系统等领域。它采用熔拉制备方法来制备双芯光纤，在双芯光纤的中间段利用侧面抛磨的方法形成D型的侧抛区，在D型侧抛区由下到上依次覆盖石墨烯、Al₂O₃、石墨烯、PVB，在侧抛区的两端通过熔融拉锥的方法形成马赫-曾德尔结构的干涉仪，使光源从一纤芯进入后，在马赫-曾德尔结构后能耦合到另一纤芯，并且在D型区通过施加外加电压能动态的改变石墨烯的费米能级，从而可使调制器实现0-2π的相位差变化。与在先的技术相比，Al₂O₃层可与石墨烯有良好的结合力并由于其折射率较大，能够提供较好的光吸收效果。其次，双层石墨烯可使调制器对光的吸收作用更大，可得到更好的调制效果，且最顶层有机材料PVB可使调制效果进一步提升的同时减小光的损耗。

发明内容