[发明专利]基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法

说明书

本发明提供的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M‑Z调制器及其制备方法。其特征是：它由V型槽1、双芯光纤3、环氧胶4、金属电极5、H‑BN过渡层6以及石墨烯层7组成。具体是在一段双芯光纤的侧抛区两端通过熔融拉锥的方法制备两个耦合器8，分别为输入端耦合器8‑1及输出端耦合器8‑2；用以在双芯光纤的两个纤芯光路上构造M‑Z干涉仪。通过M‑Z的方式将纤芯一和纤芯二输出的光作为M‑Z调制器的两臂,由于金属电极外加电压的作用使两个纤芯内传输光产生附加相位差，通过调节外加电压的输入，干涉仪两臂光路间相位差在0‑2π之间连续变化，进而实现输出端光强连续调制。本发明可广泛用于光纤通信和光纤传感领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法，可用于光纤通信和光纤传感，属于光纤集成器件领域。

(二)背景技术

调制器是光纤通信中光信号处理系统中的关键器件，它将信号加载到光上传输，这样能实现长距离、大容量的信息传输。当今人类社会信息的交流与人们的生活息息相关，光纤通信系统在人类生活中起着不可替代的作用，作为其中的关键器件，调制器将向损耗小、结构紧凑、带宽容量大即能传输更多的信息方向发展。

到目前为止，对光纤调制器的研究主要分为以下两类；一类是通过控制光路中的物理干扰来实现调制；另一类是通过在光纤中注入一些吸收特性的材料或者部分反射的材料，如液晶、某些特定的化合物或者金属氧化物来实现调制器的功能。而从调制器的原理来说，光纤调制器又可以分为声光调制器、电光调制器、磁光调制器和热光调制器等。然而，由于在光纤纤芯和外部物质之间存在着一个较大的光纤包层区域，光纤本身的结构由二氧化硅组成，作为一种理想的光传输介质，光纤对外部干扰具有较高的稳定性，因此这对实现全光纤调制器增加了难度，这使得光调制变得难实现；其次，对于硅材料，光和物质之间的作用十分有限，现在一般而言硅材料有效折射率的变化最大在10^-4，由此实现的调制器的尺寸较大，甚至有些光纤调制器的长度需要达到m的量级来实现光调制，难以和现在的光集成电路结合，因此很多提出的光纤调制器结构并不符合集成光学的要求。为了能够控制光纤中光的传输和提高调制效率，需要采用一些新的全光纤结构或者新材料来增加对光传输的控制。

随着新型二维材料石墨烯的发现以及对它的一些特性的深入研究，发现石墨烯有独特零带隙的狄拉克锥的能带结构，所以能使石墨烯具有在外界泵浦光的作用下，电子能产生带间跃迁过程，石墨烯同时具有响应光谱范围宽等特性。现在光纤通信基本用光纤传输，利用光纤制成的调制器可以集成式，且光纤具有不像波导器件那样接入到光纤系统的高损耗。

专利CN 103176294 A公开的基于石墨烯材料的全光纤电光调制器及其方法采用了类似的结构，通过对金属电极施加电压改变石墨烯的电导率特性，从而改变石墨烯复合层结构有效折射率的虚部或实部，实现其相位调制。但该发明采用单模光纤进行调制，因此其调节能力受到限制，调节方式不够灵活。

专利CN 201810545677.1公开的基于D型双芯光纤的多层石墨烯多输出方式的调制器通过改变两纤芯半径、两纤芯间距、包层半径以及石墨烯层数来构成多种输出方式的调制器。该调制器利用多层石墨烯提高了调制器的调制效果，具有高消光比和良好的兼容性。但由于其双芯光纤没有固定，对其侧抛制成D型双芯光纤存在较大困难。

本发明公开的是一种基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器，利用了石墨烯的电化学性质、双芯光纤的耦合特性以及M-Z结构的优点，具有集成式、结构紧凑以及小型化等特点。此外，本发明设计了专门固定放置双芯光纤的与双芯微结构光纤外径相匹配的V形槽，且本发明提出的调制器的金属电极在该V型槽上制备，金属电极的宽度从D型光纤延伸至V型槽的两侧的顶端，使其在制作上更加方便。该结构可以作为一种新型的调制器，在将来的光纤通信系统研究中具有很大的应用潜力。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式、结构更紧凑、小型化以及制作方便的基于石墨烯D型双芯光纤M-Z调制器及其制备方法。