[发明专利]一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关。

背景技术

随着信息化时代的发展，人们对信息的容量和传播速度提出了新的要求，而传统的电信号处理速度已经遇到了瓶颈，如何可靠地对高速数据进行处理，已经成为研究人员面临的一大挑战。可以提供巨大带宽并且能高速处理数据的全光网络或许可以成为人们的救星。全光网络中有两个重要部件，即光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM），而光开关作为光交叉连接器（OXC）的核心部件，具有重要的研究意义。

最早研究的固体光开关比如电光开关、热光开关、声光开关已成功的实现工业化，成为产品在市场上销售。其原理基本一致，即在外加场（电场、热量场、声波等）的作用下，介质的折射率发生变化，从而控制光的通断。这类光开关速度较快，寿命较长，但是其制造工艺较复杂，难以组成阵列在光纤网络中应用。作为机械光开关的新秀，集成化的微电机系统（MEMS）光开关是现在大容量交换光网络开关的主流研究方向。目前MEMS光开关的设计思路有两种，一种是固定入射出射光纤，通过微加工技术，在硅片上制作可转动的微米尺寸的微镜片来完成光路的切换从而构成开关阵列；另一种是由微机械结构带动一根光纤末端，连接或者远离另一根光纤的末端，达到对光开关的控制。这种光开关的特点是不受偏振和波长的影响，适用于多路阵列，但是开关时间较长，且由于开关结构中有转动的部分，重复性、稳定性较差，开关寿命有限。非线性干涉仪全光开关也是近年引起研究人员极大兴趣的新型光开关，其是利用被传导的光与波导材料的非线性相互作用实现光开关，例如空间型非线性干涉仪全光开关即是由于光克尔效应或双光子吸收效应，引起非线性光波导的折射率发生变化，从而使在波导中传播的两束光之间产生相位差，最终导致相长相消干涉，达到开关目的。由于这种光开关波导的截面积较小，光在其中传播时的光功率密度较高，且光与波导的非线性作用距离很长，所以可以在较低功率下实现光开关。除了改进传统的光开关，尝试使用新技术以减小尺寸提高性能以外，光开关的研究也采用了许多新材料、新的机理。随着光子晶体结构的最终被证实，以光子晶体为代表的纳米光子学全光开关登上了历史的舞台，在光子晶体中引入线缺陷，原来在光子晶体中被禁止传播的光则可在线缺陷中传播，这就形成了光子晶体光波导。这种新型波导的尺寸可以小到波长数量级，集成密度大大提高，且光在光子晶体中可以无损耗的传播。但是这种光开关制作工艺较为复杂，成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，可以有效降低驱动电压，减少开关响应时间，提高开关的重复性以及稳定性，减小开关尺寸，易于集成化。

为了解决上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯薄膜的电控微纳光纤光开关，其特征在于：包括拉锥的光输出微纳光纤、拉锥的光输入微纳光纤和基于石墨烯薄膜的电路控制模块；所述基于石墨烯薄膜的电路控制模块以涂覆有石墨烯薄膜的硅基底为中心，硅基底边缘置有金属电极；所述拉锥的光输入微纳光纤和光输出微纳光纤相对地置于石墨烯硅基底上，两微纳光纤的端头因范德瓦尔兹力吸附在一起，作为光路的耦合端；并在微纳光纤上涂覆低折射率紫外胶。

在本发明中，金属电极接外电源，通过不同的外加电压改变石墨烯薄膜的透射率，以光在微纳光纤中的倏逝场传播原理为基础，达到对光从输入端微纳光纤耦合入输出端微纳光纤的控制，从而实现光纤光开关的功能。

本发明的导通电压较低，仅为4伏左右。

微纳光纤有着普通光纤所不具备的良好的性质：其独有的微细结构可以实现光在亚波长范围内的低损耗传输，其对光场的约束能力要比普通单模光纤强，光在纤芯外以大比例倏逝波传输为光开关响应速度的提高打下了基础，其纤芯与空气包层大的折射率差，使得它可以实现360°弯曲却有着很小的弯曲损耗，这对光开关的重复性和稳定性是具有积极意义的。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

一、微纳光纤的尺寸为微米量级，硅基底以及其上的石墨烯薄膜，金属电极的尺寸也可以控制在毫米量级，这种微小的尺寸使得其具有广阔的可集成化前景，有望用于未来的高集成化模块之中；

二、石墨烯材料的固有性质决定了这种新型光开关的驱动电压仅为4伏左右，驱动电压低，大大降低了对外部功率的要求；