基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器。包括：微细光纤(1)、石墨烯栅结构层(2)、正电极(3)、负电极(4)、和平板基底(5)；石墨烯栅结构层(2)包括至少两个相互平行的石墨烯条带(21)；石墨烯栅结构层(2)设于平板基底(5)之上，微细光纤(1)设于石墨烯栅结构层(2)上，正电极(3)与各石墨烯条带(21)的一端连接，负电极(4)与各石墨烯条带(21)的另一端连接。该基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器相比于已有的单点位置信号发生器，随着石墨烯栅结构层(2)的增长，所加电压的变化速度可以无限减小，实现从极低速电信号到超高速光信号的转化。

Ultra high-speed electro-optical signal generator based on gate structure graphene micro optical fiber

The invention relates to an ultrahigh speed electro-optic signal generator based on a gate structure graphene micro optical fiber. Including: micro fiber (1), graphene gate structure layer (2), (3) the positive electrode and the negative electrode (4), peace (5); substrate graphene gate structure layer (2) comprises at least two parallel graphene strip (21); the graphene layer gate structure (2) is arranged on the base plate (5), micro fiber (1) is arranged on the graphene gate structure layer (2), the positive electrode (3) and the graphene strip (21) is connected with the negative electrode (4), and the graphene strip (21) is connected with the other end. The ultra high speed electro-optic signal generator gate structure of graphene based micro fiber compared to the existing single position signal generator, with the graphene layer gate structure (2) growth, rate of change of the applied voltage can be achieved from the infinite decreases, very low signal conversion to ultra high speed optical signal.

【技术实现步骤摘要】
基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器
本专利技术涉及通信用光纤器件领域，具体说是一种超高速信号发生器。尤指基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器。
技术介绍
目前,超高速信号的产生主要依赖于光时分技术(OTDM)。OTDM采用延时技术将低速的光信号进行延时后复用而形成超高速光信号,可以实现单信道内的超高速通信,是支撑现代通信干线网主体的主要技术。现有的光时分技术都要依赖于超短脉冲光源，光脉冲的宽度和重复频率决定了系统最大复用速率。连续光源加级联电吸收调制器得到的脉冲宽度大约3ps,对于速度在100Gb/s以上通信系统过宽；锁模光纤激光器采用谐波锁模时稳定性差，采用闭环误差信号反馈控制腔长的方法,可以实现锁模光纤激光器的长期稳定运转,但器件结构复杂；多量子阱混合锁模半导体激光器芯片成品率极低、需要昂贵的半导体加工设备、器件寿命不如前两种光源且目前价格过高。为了提供足够时延，现有的OTDM复用器的每个臂上采用长光纤,消除干涉现象造成的时延扰动,但是环境温度变化会改变延时特性，该种设计不具有长期的稳定性。而全偏振型光时分复用器价格昂贵,结构复杂,需要配备可变时延线、可变衰减器和偏振控制器等装置。另外，这种分臂结构的延时器对于制作有很高的精度要求，不易实现，而且对外界环境扰动也敏感。基于以上考虑，采用基于连续光源加更快响应时间的级联调制器的结构是简易廉价产生高稳定超高速信号的更佳手段。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二位碳原子层平面晶体薄膜，狄拉克锥能带结构使其具有各种奇特和突出的光电性能(饱和吸收和超快载流子跃迁和弛豫过程等)。基于这些特性的光调制器、超快锁模激光器、光电探测器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品化。其中，基于石墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，同时还兼顾了集成性、调制深度、调制带宽和功耗等方面的考虑。自2011年加州大学伯克利分校的刘明等人首次实现石墨烯电光调制以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被报道，是目前基于石墨烯调制研究的主要方向。继刘明等人提出条形结构石墨烯电光调制器后，GrigorenkoAN和新加坡国立大学的团队于2012年分别提出了马赫增德结构和环形腔结构的石墨烯电光调制器，构成了目前三种主要的电光石墨烯调制结构。条形波导依靠电调吸收实现调制，结构简单，兼容CMOS工艺，但插入损耗和器件能耗大，需要克服电极部分的材料电阻的问题。马赫增德结构依靠Pockets效应电压调节材料的折射率，双臂干涉调整输出光功率，光学带宽大，温度容差高。环形谐振结构电调节环内谐振效果，具有较大的消光比和较小的器件尺寸。这些结构都使用电压调控石墨烯的费米能级改变对光的吸收特性实现光调制，在调制速率(仿真计算)、调制深度、调制带宽、面积效率和功耗等方面都展示了非常优良的性能。但它们的寄生电容使电子回路相当于一个RC低通滤波器(3dB电信号截止频率f＝1/2πRC，电子瓶颈)，使实验中最高的调制速率无法突破1GHz量级，远低于仿真计算的结果(几十到几百GHz)。将光纤作为波导结构与石墨烯结合又会使调制器借助光纤的优点：调制器与现有光纤通信系统兼容，具有极低的输入输出耦合损耗；光可以在光纤中以基模传输，具有极低的传输损耗；光纤结构理论成熟、性能清晰、种类多样，利于与石墨烯结合设计出各种性能优良的调制器。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器。该基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器是将石墨烯栅结构图样层覆盖于平板基底上，微细光纤放置石墨烯栅结构图样层上作为基本波导。石墨烯栅结构图样层(简称石墨烯栅结构层)受电信号调节改变自身费米能级，控制对微细光纤中载波(倏逝场效果)在空间位置上进行周期性的吸收。石墨烯栅结构层和石墨烯材料的超短载流子弛豫时间特性将载波处理成极高空间密度的脉冲序列，从而产生超高速的信号。相比于已有的光复用系统，该基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器中的石墨烯栅结构层通过激光刻写的办法可以实现简易的制作，可以简单精确地控制相邻脉冲间的间隔。同时，该石墨烯栅结构层对使用环境也不敏感。基于石墨烯的超快载流子响应时间，该信号发生器可以产生360Gb/s以上的超高速信号。相比于已有的单点位置信号发生器，随着石墨烯栅结构层的增长，所加电压的变化速度可以无限减小，实现从极低速电信号到超高速光信号的转化。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，包括：微细光纤1、石墨烯栅结构层2、正电极3、负电极4、和平板基底5；石墨烯栅结构层2包括至少两个相互平行的石墨烯条带21；石墨烯条带21的数量决定了控制电压信号的加载速度，石墨烯栅结构层2设于平板基底5之上，微细光纤1设于石墨烯栅结构层2上，正电极3与各石墨烯条带21的一端连接，负电极4与各石墨烯条带21的另一端连接。通过改变正电极3和负电极4之间的电压进行电调制。在上述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器中，石墨烯栅结构层2的厚度小于3.35nm。石墨烯栅结构层2的厚度影响调制深度，即对光载波的吸收能力。在上述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器中，石墨烯栅结构层2通过激光刻写的方法设于平板基底5之上。在上述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器中，石墨烯栅结构层2中石墨烯条带21按照相同的空间周期重复排列，相邻两个石墨烯条带21中心间距大于1.2mm；该参数影响调制速度。在上述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器中，微细光纤1的直径为1—20微米。微细光纤1的直径影响调制深度和插入损耗。一种超高速光信号的产生方法，包括如下步骤：使用上述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，通过调节正电极3与负电极4的电压差产生电信号，改变石墨烯栅结构层2对载波的吸收特性，产生超高速光信号。在上述超高速光信号的产生方法中，通过改变一个时间周期内无电压的时间长度可以控制脉冲宽度。本专利技术所述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器的工作原理如下：微细光纤具有强烈的倏逝场，将载波扩散到石墨烯栅结构层中与其相互作用。通过调节加载在石墨烯栅结构层上的电压可以调节石墨烯栅结构层的费米能级，进而改变石墨烯栅结构层中带隙的开关状态，实现对吸收和不吸收的切换(吸收位置为0信号，不吸收位置为1信号)，借以石墨烯载流子超短的弛豫时间，这种切换可以实现超快的效果。栅结构的石墨烯(即石墨烯栅结构层)可以在空间上对载波进行周期性的吸收，细密的栅结构和超快的响应时间使得这种周期性的吸收在空间上可以非常细密，从而产生极高重复频率的脉冲信号，即超高速信号。随着石墨烯栅结构层长度的增加，电信号的变化速度可以降得很低，从而实现基于低速电压的超高速光信号。同时，通过改变一个时间周期内无电压的时间长度可以控制脉冲宽度。本专利技术所述基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器的有益效果如下：(1)用空间调制的方式，以很低的电信号变化速度产生了超高速的光信号。(2)石墨烯栅结构层通过激光刻写的方法易于精细制作，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，其特征在于，包括：微细光纤(1)、石墨烯栅结构层(2)、正电极(3)、负电极(4)、和平板基底(5)；石墨烯栅结构层(2)包括至少两个相互平行的石墨烯条带(21),石墨烯栅结构层(2)设于平板基底(5)之上，微细光纤(1)设于石墨烯栅结构层(2)上，正电极(3)与各石墨烯条带(21)的一端连接，负电极(4)与各石墨烯条带(21)的另一端连接。

【技术特征摘要】
1.基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，其特征在于，包括：微细光纤(1)、石墨烯栅结构层(2)、正电极(3)、负电极(4)、和平板基底(5)；石墨烯栅结构层(2)包括至少两个相互平行的石墨烯条带(21),石墨烯栅结构层(2)设于平板基底(5)之上，微细光纤(1)设于石墨烯栅结构层(2)上，正电极(3)与各石墨烯条带(21)的一端连接，负电极(4)与各石墨烯条带(21)的另一端连接。2.如权利要求1所述的基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，其特征在于：石墨烯栅结构层(2)的厚度小于3.35nm。3.如权利要求1所述的基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器，其特征在于：石墨烯栅结构层(2)通过激光刻写的方法设于平板基底(5)之上。4.如权利要求1所述的基于栅结构石墨烯微细光纤的超高速电...

【专利技术属性】
技术研发人员：白冰，裴丽，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11