基于立体栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器的制作方法

本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及一种基于立体栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器。

背景技术：

光时分复用技术(Optical Time Division Multiplexing,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。

现有的产生超高速光信号的方法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。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时，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的芯片成品率极低，需要昂贵的半导体加工设备，器件寿命不如锁模光纤激光器的器件寿命，并且价格过高。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，可以消除干涉现象造成的时延扰动，但是环境温度变化会改变时延特性，该种设计不具有长期的稳定性。而全偏振型光时分复用器的价格昂贵，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较高的制作精度要求，不易实现，而且对外界环境的扰动也很敏感。

采用基于连续光源加更快响应时间的级联电吸收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氮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、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，同时也兼顾集成性、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器以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被报道，成为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器后，Grigorenko A N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(互补金属氧化物半导体)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，可以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，输入输出耦合损耗极低；光可以在光纤中以基模传输，传输损耗极低；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。

采用二维平面结构的器件尺寸都会相对较大，这对制造工艺在空间上的一致性会有很高的要求。同时大尺寸器件对环境温度分布和振动都比较敏感，降低了其长期稳定性。另外，大尺寸器件在集成性上都具有劣势。采用三维立体结构的器件，可以有效避免以上三个问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于立体栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

基于立体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、棒状基底2和石墨烯栅结构层3；

石墨烯栅结构层3环绕于棒状基底2的侧表面，形成棒状结构；

微细光纤1缠绕在棒状结构的表面，棒状结构的两端分别为正电极4和负电极5，正电极4与石墨烯栅结构层3的一端相连，负电极5与石墨烯栅结构层3的另一端相连。

在上述方案的基础上，所述棒状基底2为圆柱形，直径＞1mm。

在上述方案的基础上，所述棒状基底2的材质为二氟化镁。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3由若干平行于棒状基底2的石墨烯栅层构成。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3的厚度≤3.35nm，石墨烯栅结构层3的周期长度≥1.2mm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1的直径为1μm～80μm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1均匀的缠绕在棒状结构的表面，相邻圈的间距为微细光纤1的直径的2～5倍。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3通过激光刻写的方法形成。

本发明所述的超高速电光信号发生器，通过调节正电极与负电极的电压差产生电信号，产生超高速光信号，通过改变一个周期内无电压的时间长度可以控制脉冲宽度。

本发明的工作原理：微细光纤中的载波经微细光纤的倏逝场效果扩散到石墨烯栅结构中与之相互作用。棒状结构两端的电极为石墨烯栅结构层3的变化提供电压，调节石墨烯材料的费米能级，改变其对载波的吸收特性，吸收的位置无脉冲，不吸收的位置有脉冲。石墨烯栅结构层3以及缠绕的微细光纤1使得载波在微细光纤1的轴向空间上周期性地被石墨烯栅结构层3吸收，以此来形成脉冲序列。细密的石墨烯栅结构层3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，从而产生高重复频率的脉冲信号，即超高速信号。由于微细光纤的直径极小，在很短的一段棒状结构上可以缠绕圈数极其多的微细光纤，这使得电压信号的变化速度可以降得很低，就能够实现超高速信号的产生。同时，该结构紧凑强健，能够在恶劣环境下使用，对温度和振动等因素都不敏感。极小的器件尺寸也使得该结构非常利于集成的考虑。

本发明的有益效果如下：

(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形成，易于精细制作，可以精确控制相邻脉冲间的间距。

(3)该超高速电光信号发生器对使用环境不敏感，对温度和振动等外界因素都有很高的适应性。

(4)石墨烯作为调制材料，具有超短响应时间、超宽波长调制范围、低功耗和高面积效率的优势。

(5)微细光纤作为基本波导，与现有光纤通信系统兼容，输入输出耦合损耗极低；载波在微细光纤中以基模传输，传输损耗极低。

(6)该超高速电光信号发生器的尺寸非常小，在集成性方面占据极大优势。

附图说明

本发明有如下附图：

图1基于立体栅结构石墨烯微细光纤的超高速电光信号发生器结构示意图；

图2实例一中的电压变化示意图；

图3实例二中的电压变化示意图；

图4实例一中产生的超高速光信号示意图；

图5实例二中产生的超高速光信号示意图。

具体实施方式

以下结合附图1至5对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的基于立体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、棒状基底2和石墨烯栅结构层3；

石墨烯栅结构层3环绕于棒状基底2的侧表面，形成棒状结构；

微细光纤1缠绕在棒状结构的表面，棒状结构的两端分别为正电极4和负电极5，正电极4与石墨烯栅结构层3的一端相连，负电极5与石墨烯栅结构层3的另一端相连。

在上述方案的基础上，所述棒状基底2为圆柱形，直径＞1mm。

在上述方案的基础上，所述棒状基底2的材质为二氟化镁。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3由若干平行于棒状基底2的石墨烯栅层构成。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3的厚度≤3.35nm，石墨烯栅结构层3的周期长度≥1.2mm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1的直径为1μm～80μm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1均匀的缠绕在棒状结构的表面，相邻圈的间距为微细光纤1的直径的2～5倍。

在上述方案的基础上，所述石墨烯栅结构层3通过激光刻写的方法形成。

所述石墨烯栅结构层3中的石墨烯栅层是周期性间隔排布的，石墨烯栅结构层3的周期长度为两条石墨烯栅层的间隔长度。

石墨烯栅结构层环绕在棒状基底上作为光吸收介质，微细光纤缠绕在该覆有石墨烯栅结构层的棒状结构表面作为载波的基本波导。通过调节棒状结构两端的电极来调节石墨烯栅结构层的电压，改变石墨烯材料的费米能级，控制石墨烯栅结构层对载波的吸收。石墨烯栅结构层可以实现对载波在空间上的周期性吸收，由于栅结构细密并且石墨烯具有极短的响应时间，因此产生的脉冲序列具有超高重复频率和超窄脉宽的特性。相比于已有的光复用系统，该石墨烯栅结构层通过激光刻写的方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，本发明所述超高速电光信号发生器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450Gb/s的超高速信号。相比于已有的单点位置信号发生器，随着缠绕微细光纤长度的增长，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。更加值得注意的一点，由于本发明所述超高速电光信号发生器采用了缠绕方式，将传统的级联吸收方式由平面结构变成了空间结构，从数量级上地减小了空间尺寸，在集成性方面占据极大优势。

实施例一：

如图1所示，基于立体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、棒状基底2、石墨烯栅结构层3、正电极4、负电极5。

具体组合方式为：石墨烯栅结构层3环绕于棒状基底2侧表面，微细光纤1缠绕在覆有石墨烯层3的棒状结构表面，棒状结构两端面分别为正电极4和负电极5与石墨烯栅结构层3相连提供电压，改变石墨烯栅结构层3对载波的吸收作用。

石墨烯栅结构层3厚度为0.335nm，石墨烯栅结构层3周期长度为1.2mm。

棒状基底2的直径为14mm，高度为1mm。

微细光纤1的直径为1μm，相邻圈的间距为3.5μm，圈数为27。

经过上述设置，按照图2调节正电极4与负电极5的电压差产生电信号，得到如图4的超高速光信号，电压变化速度为360Mhz，一个时间周期内无电压时间为3ps，产生的光信号速度为360Gb/s，脉冲宽度为3ps。

实施例二：

如图1所示，基于立体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、棒状基底2、石墨烯栅结构层3、正电极4、负电极5。

具体组合方式为：石墨烯栅结构层3环绕于棒状基底2侧表面，微细光纤1缠绕在覆有石墨烯层3的棒状结构表面，棒状结构两端面分别为正电极4和负电极5与石墨烯栅结构层3相连提供电压，改变石墨烯栅结构层3对载波的吸收作用。

石墨烯栅结构层3厚度为0.335nm，石墨烯栅结构层3周期长度为1.2mm。

棒状基底2直径为14mm，高度1mm。

微细光纤直径1μm，相邻圈间距3.5μm，圈数27。

经过上述设置，按照图3调节正电极4与负电极5的电压差产生电信号，得到如图5的超高速光信号，电压变化速度为360Mhz，一个时间周期内无电压时间为1.5ps，产生的光信号速度为360Gb/s，脉冲宽度为1.5ps。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。