[发明专利]基于D型光纤的增强型石墨烯电吸收调制器

说明书

基于D型光纤的增强型石墨烯电吸收调制器，属于光电子器件领域，使用石英V型槽将光纤嵌入其中，用环氧胶将光纤密封固定并暴露部分光纤包层在V型槽外部。抛光去除部分光纤包层使纤芯内的倏逝场泄露。在制作好的D型光纤/石英基底表面转移两层石墨烯，两层石墨烯之间使用介电层隔开制作成平行板电容器。两只金属电极分别与上下两层石墨烯相连用于施加电压，改变石墨烯的费米能级，从而实现通过外加电压对光纤内传输光场的调制；顶部添加一层PMMA薄膜将光纤内的倏逝场向外引出，增强与石墨烯的相互作用强度。这种调制器相互作用强度大，制作成本低，同时保留了光纤互联的优异特性。

技术领域：

本发明属于光电子器件领域，具体涉及到一种基于D型光纤的增强型石墨烯电吸收调制器的设计和制作方法。

背景技术：

光调制器作为一种对光的特性(强度、相位、偏振、波长等)进行操纵的一种光电子器件，在光互联、激光测距、调Q锁模、光学显示等领域有着非常重要的作用。其中光纤通信、脉冲激光的产生很大程度上要依赖于对激光强度特性的调制。

现在市面上应用比较广泛的强度调制器有电光调制器、声光调制器、电吸收调制器等，经过多年的发展相应的材料制备、调制原理已经发展的相对成熟，但现存的调制器依然存在体积大不利于集成、调制电压高、制备工艺复杂等无法避免的弊端。

石墨烯作为一种全新的二维材料在2004年由英国的科学家通过简单地撕胶带法首次制备并对其性质进行了测定。发现其拥有优异的电学和光学特性。石墨烯的费米能级结构可以通过加电压的形式来调控，当没有外加电压的时候本征石墨烯的费米能级处于费米狄拉克点处，此时的石墨烯由于零带隙的特点可以对相当宽带的光进行吸收，单层石墨烯对光的吸收率为2.3％，而当我们在石墨烯的两侧施加偏置电压时就会让石墨烯发生电掺杂，随着偏执电压的方向不同，石墨烯的费米能级会向导带或者价带发生偏移，而当这个偏移量超过1/2的光子能量时，由于泡利不相容原理，入射的光子没有相应的价带电子可以激发，或者导带相应的位置已经被电子占据，此时石墨烯对入射光表现为透明。通过上述的电压施加与撤销，可以使石墨烯对光的吸收能力在吸收与高透过之间来回切换，也就实现了通过电压达到光调制的目的。由于石墨烯本身的优异电光特性，使用石墨烯制作调制器有如下的优点：

(1)石墨烯和光相互作用的能力很强。相比于目前所使用的光电器件(主要基于量子阱和量子限制斯托克斯效应的材料)，单层石墨烯(0.3nm)就能够实现2.3％的光吸收，为更灵敏更精细的调制提供了很好的材料基础。

(2)基于石墨烯的电光调制器可以实现高速的操作。石墨烯所具有的高电子迁移率(200000cm²/V/s)和超快的带间弛豫(ps量级)使石墨烯可以通过能带填充效应快速的对光的吸收进行调控。理论上可以达到500GHz的操作速率。

(3)工作波长范围广。由于石墨烯独特的零带隙能级结构，使得它对非常宽的光谱范围都能够实现一致的2.3％的强吸收能力，基于这种性能可以实现同一器件同时覆盖可见光到中红外的调制波长范围。

(4)光学性质易于调控。由于石墨烯的光学性质主要取决于它的能级结构，这种能级结构可以很方便的通过加电压，通光，化学掺杂等手段进行人为的控制，所以石墨烯作为电光调制器可控性极强。

通过石墨烯主动光调制的方式由于可以人为的改变外加电压大小、调制速度等，因此可以对调制器进行更好地控制，拥有更大的自由度。国内外众多团队聚焦于石墨烯的这种特性开发了各种形式的石墨烯主动电光调制器，其中大部分工作是基于硅基的。但基于硅基的调制器存在着插入损耗大、耦合效率低、制备工艺复杂等众多不足。和光纤相结合的石墨烯调制器有透射式，微纳光纤式，D型光纤式等。透射式的调制器受限于光斑大小有限，参与作用的碳原子数量很少，所以调制深度比较差。而微纳光纤制作工艺本身依赖于光纤拉锥技术，同时由于光纤本身被拉制成亚微米尺寸，所以十分的不稳定，容易损坏。而目前使用D型光纤制作的石墨烯调制器，受限于光纤抛光区域泄露的光场能量有限，并不能有效地与贴敷石墨烯的高效的相互作用。