一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件制造技术

本发明专利技术涉及光纤通讯技术领域，公开了一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件。该多功能器件结构包括：玻璃衬底、放置在玻璃衬底凹槽内的侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤抛磨区上覆盖有石墨烯薄膜，两个金属电极设置在石墨烯薄膜之上，所述金属电极为两个独立的金属叉指电极。通过改变施加在独立的金属叉指电极两端的驱动电压，调控石墨烯层对光纤中传输光强的吸收，从而控制光偏振态的改变与实现对光强的调制。本发明专利技术具有体积小、结构设计简单、插入损耗低、工作波长范围宽、消光比高、响应速度快、集成化、多功能化等优点。在未来光电子器件集成、多功能化发展趋势下，有着重要的应用前景。

All fiber based polarization control and intensity modulation multifunction device based on graphene

The invention relates to the field of optical fiber communication technology, and discloses an all-optical fiber polarization control and intensity modulation multifunctional device based on graphene. The structure of the multifunctional device includes a glass substrate, a side polished optical fiber placed in the groove of the glass substrate, a graphene film covered on the polished area of the side polished optical fiber, two metal electrodes arranged on the graphene film, and two independent metal interdigital electrodes. By changing the driving voltage applied to the two ends of the independent metal interdigital electrode, the absorption of transmitted light intensity in the optical fiber can be controlled by the graphene layer, so as to control the change of the polarization state of light and realize the modulation of light intensity. The invention has the advantages of small size, simple structure design, low insertion loss, wide working wavelength range, high extinction ratio, fast response speed, integration and multi-function. It will have an important application prospect in the future development trend of optoelectronic devices integration and multi-function.

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件
本专利涉及光纤通讯
，具体涉及一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件。
技术介绍
随着光通信网络的飞速发展，光电器件的性能及功能也被赋予更高的要求。现在的光电器件也存在着功能单一，带宽小，速度慢等要改进的问题。光电器件有着同时集成化多功能器件的需求，同时全光网络的发展也赋予光电器件的全光纤化的要求。石墨烯由于其独特的结构和优良的光学和电学特性，成为国内外的研究热点，成为光电领域的重要研究方向。侧边抛磨光纤成本低廉,对倏逝场利用的区域可人为控制、制成的器件的插入损耗、偏振相关损耗、背向反射极小和易于与光纤系统熔接,使得利用侧边抛磨光纤构造新型全光纤器件已成为研究开发的有效途径之一。在光电器件研究中，通过将石墨烯新材料和新型光纤结构相结合形成的石墨烯-侧边抛磨光纤波导结构在偏振控制方向上的应用和发展空间巨大，特别是基于光纤的集成化，高性能，低功耗和低成本的新型光电器件具有非常广阔的前景。如果能将石墨烯与侧边抛磨光纤相结合，构建新型的多功能全光纤器件，特别是基于石墨烯的光纤偏振控制器的制作和相关技术的研究的突破，将加快新型石墨烯光学波导偏振控制器在光纤系统中的实际应用，同时也对其他石墨烯全光纤器件的研发具有十分重要的指导意义。如申请号为201120571231.X的专利公开了基于D型光纤的石墨烯电光调制器。结构上在D型光纤表面敷设有石墨烯，同时，在石墨烯的一端制备有金属电极及引线，在石墨烯薄膜上镀有一层绝缘层，所述绝缘层镀设在石墨烯薄膜上金属电极及引线旁边，绝缘层为三氧化铝或其它具有高介质电常数的绝缘层，金属电极及引线为导电性电极，导电性电极是Au或Pt。此专利的不足之处在于结构上存在一定的缺陷。在石墨烯的引线上，此专利采用的方法是在石墨烯的一端制备有金属电极及引线，然后绝缘层上层也设有金属电极，但是这个结构不够完善，金属电极是块状的，而且金属电极的位置分别是石墨烯的一侧与石墨烯的中间上层，以上两点都会导致器件光利用率不高，使得光强调制的性能表现不佳。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利提供了一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，它为侧边抛磨光纤抛磨区的石墨烯引线提供了更好的结构。本专利采用如下技术方案：一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，还包括玻璃衬底，所述玻璃衬底设置有凹槽，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤放置在凹槽内，侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层和纤芯部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属叉指电极，每个金属叉指电极包括金属叉指集成区和金属叉指集成区一体化结构的叉指，两个金属叉指电极对称位于石墨烯薄膜的两侧，两侧的金属叉指电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜的表面上，所述两侧的金属叉指电极的一端通过引线分别连接驱动电压的两极，所述驱动电压用于调控石墨烯薄膜对侧边抛磨光纤中传输光强的吸收，所述驱动电压用于调控石墨烯薄膜对侧边抛磨光纤中传输光强的吸收。金属叉指电极本专利公开的多功能器件采用侧边抛磨光纤作为光传输波导，将石墨烯覆盖在侧边抛磨光纤段，一对金属叉指电极放置于石墨烯上的新结构，本器件的基本原理是基于石墨烯的电致光吸收效应，石墨烯是一种二维材料，其纵向尺度和和横向尺度的非对称性导致它对于TE偏振模式和TM偏振模式的光场产生不同的吸收特性，具有一定的偏振敏感特性。从理论上分析，石墨烯的的电导率用drude模型来进行描述，在本征条件下，其动态电导虚部为负，表现为半导体性质，可以传导TE偏振模式表面波，在通过添加偏置电压，化学掺杂，以及加热等手段可以使石墨烯处于激发态，石墨烯表现为金属性质，可以传导TM偏振模式表面波。石墨烯对于TE波和TM波的传播都可以支持，这是石墨烯相对于传统材料，最为特别的性质之一。由于侧边抛磨光纤抛磨区的倏势场可以人为利用来探测、激发、控制在光纤纤芯中的传播光，将石墨烯和侧边抛磨光纤结合后，通过在叉指电极两端施加电压便可以控制TM波和TE波在光纤中的传播，从而实现了对光纤中传输光的偏振调控，强度调制及起偏。石墨烯具有超高的电子迁移率，零带隙等优良的光学和电学特性，理论上保证器件具有宽光谱，高速度，小尺寸等优点。本专利中使用的波导是侧边抛磨光纤。单模光纤中，通常足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场以及在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄露到光纤外面。侧边抛磨光纤是用抛磨的方法使光纤的包层厚度减少到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了纤芯中传输光倏逝波场的“泄露窗口”。在此“窗口”处，就存在利用倏逝波场来激发、控制、调制光纤纤芯中的传输光的可能。与D型光纤器件相比，侧边抛磨光纤具备诸多优点：(1)成本低廉；(2)易于控制对消逝场利用的区域；(3)低插入损耗，典型值小于0.5dB；(4)小偏振相关损耗，典型值小于0.02dB；(5)小背向反射，典型值小于-50dB；(6)与常规光纤传输系统熔接方便。本器件使用侧边抛磨光纤在光纤系统耦合过程中耦合效率高，有光通过“泄露窗口”时产生很强的消逝场，从而增加光与石墨烯的作用强度，进而会增加器件的消光比；其次，光与石墨烯的相互作用长度由光纤以及石墨烯的长度决定，光纤具有可以选择任意长度的优点；最后，该器件直接在光纤上制备，避免了波导结构与光纤的耦合难题，插入损耗低，集成在光纤上的多功能器件在光纤通信的过程中还可以实现在线监测的目的。本专利中两个金属叉指电极对称放置于石墨烯薄膜的两侧，两侧的金属叉指电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜上。叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容，起到高效控制器件的作用。并且，侧边抛磨光纤放置在凹槽内放置在玻璃衬底上，一方面玻璃衬底作为支撑对侧边抛磨光纤加以固定，增加器件的稳定性，另一方面，金属叉指电极的非叉指部位也就是金属叉指集成区是放置在玻璃衬底上的，玻璃衬底保护叉指电极的金属叉指集成区的性能，金属叉指电极的引线还可以通过胶滴固定在玻璃衬底上。本专利叉指电极和玻璃衬底的应用解决了在侧边抛磨光纤抛磨区的石墨烯引线的难题，提高器件光利用率，使得光强调制的性能表现更佳。还降低了器件的加工难度。进一步地，叉指的宽度相等，相邻叉指的间距呈周期分布。叉指电极的检测的对象小而多，而且随机分散，使用宽度相等、周期分布的叉指电极是为了更多地捕获被侧对象，节省叉指的使用量，增大检测信号，而且还可以检查被测对象的分布位置。进一步地，相邻叉指间的距离范围为1um至300um。相邻叉指之间的间隙距离对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。根据实验结果，叉指的密度越大，光纤抛磨面电场强度会增大。因此，通过优化相邻叉指间的距离参数可以提高器件的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。进一步地，金属叉指电极厚度范围为30nm至300nm。金属电极厚度对于基于叉指电极的性能指标都有很大影响。因此，通过优化电极厚度参数可以提高器件的性能，当应用于不同的检测领域时，可能需要使用不同结构参数的叉指电极结构。进一步地，金属叉指电极材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，其特征在于，还包括玻璃衬底，所述玻璃衬底设置有凹槽，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤放置在凹槽内，侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层和纤芯部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属叉指电极，每个金属叉指电极包括金属叉指集成区和金属叉指集成区一体化结构的叉指，两个金属叉指电极对称位于石墨烯薄膜的两侧，两侧的金属叉指电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜的表面上，两侧的金属叉指电极的一端通过引线分别连接驱动电压的两极，所述驱动电压用于调控石墨烯薄膜对侧边抛磨光纤中传输光强的吸收。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，包括波导、石墨烯薄膜与金属电极，其特征在于，还包括玻璃衬底，所述玻璃衬底设置有凹槽，所述波导为侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤放置在凹槽内，侧边抛磨光纤包括包层和纤芯，所述包层和纤芯部分抛磨处理成一抛磨区，抛磨区表面敷设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜表面覆盖有金属叉指电极，每个金属叉指电极包括金属叉指集成区和金属叉指集成区一体化结构的叉指，两个金属叉指电极对称位于石墨烯薄膜的两侧，两侧的金属叉指电极的叉指相互平行且交错覆盖在石墨烯薄膜的表面上，两侧的金属叉指电极的一端通过引线分别连接驱动电压的两极，所述驱动电压用于调控石墨烯薄膜对侧边抛磨光纤中传输光强的吸收。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的全光纤偏振控制与强度调制多功能器件，其特征在于，所述叉指的宽度相等，相邻叉指的间距呈周期分布。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：余健辉，朱文国，陈哲，陈光磊，杨松青，唐洁媛，吴朋军，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44