[发明专利]基于石墨烯光纤的全光调制器及其调制方法

说明书

本发明提供一种基于石墨烯光纤的全光调制器及其方法。本发明所述光调制器包括光纤和石墨烯两部分构成。利用石墨烯光泵浦原理：没有泵浦光时，信号光被石墨烯吸收，信号光不能通过调制器。反之，当短波长泵浦光激发石墨烯电子到导带，由于泡利不相容原理，长波长信号光无法激发电子，从而不被石墨烯吸收因此直接通过调制器。泵浦光和信号光同时通过该调制器，通过调制泵浦光的强度可以调制信号光光强，达到全光调制效果。该调制器尺寸小，工作频带宽，工作范围广，响应速度快(理论可达500GHz)，与光纤光路系统耦合方便，有利于光集成等特点，可广泛应用于光纤通信、传感器，激光雷达,光集成系统，全光通讯等领域。

技术领域

本发明属于光通信,传感技术及光学器件领域,涉及一种光学器件，特别是涉及一种全光调制器及其方法。

背景技术

光调制器是一种重要的光学器件，用于调节光强，光相位和光偏振等参量。光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理来讲，一般可分为声光调制器，电光调制器、热光调制器、全光调制器等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的声光效应，电光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。其中(1)电光调制器是通过电压改变晶体折射率达到改变输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。(2)磁光调制器是利用光通过磁光晶体(如钇铁石榴石)时，在磁场作用下其偏振面可发生旋转实现光调制；(3)声光调制器是利用材料(如铌酸锂)在声波作用下产生应变而引起折射率变化即光弹效应实现光调制；(4)全光调制器是利用一束光去改变介质材料折射率，吸光率等参量从而控制另一束光的光强，相位和偏振等光学参量的目的的一种光调制器。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。

石墨烯是一种由碳元素构成的二维材料，单层石墨烯只有大约0.3纳米厚度。石墨烯具有非常优异的电学，光学和热学性质，同时它还有比钻石更高的机械强度，比铜和银更高的导电性，以及非常好的导热性和热稳定性。它的电子能带结构呈现锥形，是一种半金属或者零带隙半导体材料，所以具有非常好的导电性。它在可见和红外光波段透射率约高达97.7％，也就是说在很宽的光谱范围仍然具有恒定的吸光率(≈2.3％)。通过场效应晶体管的栅压调控技术或者光泵浦技术，可以使石墨烯价带的电子激发到导带。由于泡利不相容原理，如果入射的光子能量小于两倍费米能级改变量，则该光子不能被吸收，价带的电子不能被激发到导带，此时石墨烯被漂白，即理论上透射率变为100％。反之，如果价带电子没被激发到导带，或者入射光光子能量大于2倍费米能级改变量，则该光子仍能被吸收，石墨烯吸光率仍约为2.3％。并且根据文献报道(Liu M,Yin X,Ulinavila E,et al.A graphene-based broadband optical modulator[J].Nature,2011,474(7349):64-67)理论上石墨烯光吸收调制速度能高达500GHz，主要受限于石墨烯的质量和载流子浓度。

光波导纤维简称光纤，是由玻璃或塑料制成的纤维。常见的光纤，其中间是较高折射率的纤芯，外层是较低折射率的包层，最外层是塑料材质的涂覆层。这种光纤是实芯光纤，按照传播模式分为单模光纤和多模光纤。将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤或者单孔光纤。空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输等领域。多孔光纤是近些年研究比较火热的方向。一般来讲，多孔光纤(Porous Fiber)通过合理安排光纤内孔的大小，间距和数目可以制作成各种特殊用途的光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber)，比如无截止单模光子晶体光纤，高非线性光子晶体光纤，保偏光子晶体光纤等。光子晶体光纤可以直接熔接到标准单模或多模光纤上；光子晶体光纤可以应用于超连续白光光源，光学相干层析技术(OCT)；拉曼放大激光器；光参量放大光路，通信器件；波长转换等等领域。