基于石墨烯微细光纤的超高速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，特别涉及一种基于石墨烯微细光纤的超高速信号发生器。

背景技术：

电光/光电转换是制约高速通信系统的关键因素，采用全光控制方法可以有效地绕过电子器件在超高频下的寄生电容效应(电子瓶颈)，提高通信速度。同时，全光控制方法在光逻辑计算上还有着其他手段无法替代的作用。

OTDM(光时分复用技术)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。现有的光时分复用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通信系统最大复用速率。连续光源加级联电吸收调制器得到的脉冲宽度大约为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并且目前价格过高。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制器后，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，极低的输入、输出耦合损耗；光可以在光纤中以基模传输，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。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器。石墨烯层覆盖于平板基底上，微细光纤放置在石墨烯层上作为基本波导。低速泵浦光通过掩膜板产生衍射条纹照射在石墨烯层上，通过饱和吸收原理调节石墨烯在不同位置对载波的吸收特性(亮条纹处不吸收，暗条纹处吸收)。细密的泵浦光衍射条纹可以使石墨烯在空间上对载波进行周期性的吸收，在载波上形成脉宽极短、重复频率极高的脉冲序列，实现超高速信号的效果。相比于传统的分臂延时结构，该结构制作简易、廉价，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的超高速光信号。相比于已有的单点位置信号发生器，随着泵浦光衍射条纹范围的扩大，泵浦光强度的变化速度可以无限减小，基于极低的控制速度可以产生超高速光信号。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器，包括：平板基底、石墨烯层、微细光纤、泵浦光源和掩膜板；

所述石墨烯层置于平板基底之上，所述微细光纤以盘绕的形式置于石墨烯层的上面，所述掩膜板位于石墨烯层的上方，所述泵浦光源设置于掩膜板的上方；

所述泵浦光源产生的泵浦光经过掩膜板产生衍射条纹，所述衍射条纹照射于石墨烯层上。

在上述方案的基础上，所述石墨烯层的厚度小于3.35nm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤的直径为1-20μm，微细光纤的弯曲半径应当避免弯曲损耗。

在上述方案的基础上，所述微细光纤盘绕的平行间距为1mm。

在上述方案的基础上，所述衍射条纹间距大于0.6mm。

在上述方案的基础上，所述泵浦光源产生的泵浦光强度可以调节。

该光信号发生器经过上述设置，通过调节泵浦光强度，产生超高速光信号。

本发明的工作原理：

微细光纤具有强烈的倏逝场，将载波扩散到石墨烯层中与其相互作用。通过调节泵浦光的强度，利用石墨烯材料的饱和吸收特性，改变石墨烯对微细光纤中载波的吸收。泵浦光经过掩膜板会在石墨烯层上形成衍射条纹，亮条纹处石墨烯对载波不吸收，暗条纹处石墨烯吸收载波，对照衍射条纹，石墨烯层在空间上形成对载波的周期性吸收。由于衍射条纹很细密，微细光纤中可以形成脉宽很窄、重复频率很高的脉冲序列，实现超高速光信号的效果。随着衍射条纹面积的增加，泵浦光强度变化的速度可以无限降低。

本发明的有益效果如下：

(1)用空间调制的方式，以很低的调制速度实现了超快调制的效果。

(2)信号发生器的串联结构易于制作，可以对序列中的各个脉冲进行精确控制。

(3)该信号发生器对使用环境不敏感。

(4)全光调制，无需复杂的电极设计和制作，同时绕开电子瓶颈对调制速度的限制。

(5)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。

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

附图说明

本发明有如下附图：

图1基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器结构示意图。

图2实例一中的泵浦光随时间变化示意图。

图3实例二中的泵浦光随时间变化示意图。

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

下面结合附图1至5对基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器作进一步描述。

一种基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器，包括：平板基底3、石墨烯层2、微细光纤1、泵浦光源4和掩膜板5；

所述石墨烯层2置于平板基底3之上，所述微细光纤1以盘绕的形式置于石墨烯层2的上面，所述掩膜板5位于石墨烯层2的上方，所述泵浦光源4设置于掩膜板5的上方；

所述泵浦光源4产生的泵浦光经过掩膜板5产生衍射条纹，所述衍射条纹照射于石墨烯层2上。

在上述方案的基础上，所述石墨烯层2的厚度小于3.35nm。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1的直径为1-20μm，微细光纤1的弯曲半径应当避免弯曲损耗。

在上述方案的基础上，所述微细光纤1盘绕的平行间距为1mm。

在上述方案的基础上，所述衍射条纹间距大于0.6mm。

在上述方案的基础上，所述泵浦光源4产生的泵浦光强度可以调节。

该光信号发生器经过上述设置，通过调节泵浦光强度，产生超高速光信号。

实施例一：

基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器，其特征在于：该结构包括微细光纤1、石墨烯层2、平板基底3、泵浦光源4和掩膜板5。

具体组合方式为：石墨烯层2置于平板基底3之上，微细光纤1以盘绕的方式置于石墨烯层2上，泵浦光源4产生的泵浦光经过掩膜板5产生衍射条纹照射于石墨烯层2上，改变泵浦光的强度调节石墨烯层2对载波的吸收特性，产生超高速光信号。

石墨烯层2的厚度小于3.35nm。

微细光纤1的直径为1μm，微细光纤1盘绕的平行间距1mm，总长37mm。

产生的泵浦光衍射条纹间距1mm。

经过上述设置，按照图2调节泵浦光强度，仅需10Ghz的调制速度，产生超高速光信号(图4)，该信号速度为360Gb/s，脉宽为3ps。

实施例二：

基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器，其特征在于：该结构包括微细光纤1、石墨烯层2、平板基底3、泵浦光源4和掩膜板5。

具体组合方式为：石墨烯层2置于平板基底3之上，微细光纤1以盘绕的方式置于石墨烯层2上，泵浦光源4产生的泵浦光经过掩膜板5产生衍射条纹照射于石墨烯层2上，改变泵浦光的强度调节石墨烯层2对载波的吸收特性，产生超高速光信号。

石墨烯层2的厚度小于3.35nm。

微细光纤1的直径为1μm，微细光纤1盘绕的平行间距1mm，总长37mm。

产生的泵浦光衍射条纹间距1mm。

经过上述设置，按照图3调节泵浦光强度，仅需10Ghz的调制速度，产生超高速光信号(图5)，该信号速度为360Gb/s，脉宽为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。