一种基于石墨烯的反射型空间电光调制器的制作方法

本发明涉及电光调制器件，尤其是涉及一种基于石墨烯的反射型空间电光调制器。

背景技术：

随着当今信息技术的迅猛发展，利用光作为信息传输、存储、处理工具的光电子信息技术得到了广泛的应用。光调制器是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的器件。按照工作原理，光调制器可以分为声光调制器、磁光调制器、电致吸收调制器和电光调制器。而电光调制能直接和电路通信系统结合，是其中最成熟、应用最广泛的一种技术。

传统的电光调制器的工作原理是利用介质的线性电光效应，即泡克尔斯效应来工作的。在外加电压的影响下，介质的折射率发生变化，从而调制输出光的强度。根据电光调制器器件结构的不同，可以分为马赫-曾德尔干涉型电光调制器、定向耦合式电光调制器、光纤光栅型电光调制器、衰减全反射型电光调制器、微型环电光调制器等。

上述所有类型的电光调制器均是通过电极来施加外加电压产生调制电场。然而，由于调制器模型中光传输的特性，以及器件结构的特点，常常要求调制器的电极是透明的。传统用作透明电极的材料往往是氧化铟锡、碳纳米管、导电聚合物等。然而，最常使用的氧化铟锡存在一系列缺点，包括价格昂贵、回收困难、有毒性，且该材料是一种脆性材料，容易因歪曲而破损；碳纳米管薄膜的方块电阻普遍偏大；导电聚合物也存在诸多的问题，如复杂的合成步骤，低的溶解性，窄的透光频段，而且在空气中化学稳定性差(参考文献：韩媛媛.基于石墨烯透明电极的高效有机发光二极管的研究[d].苏州大学2014)。此外，由于上述传统透明电极由体块材料构成，电极的引入将对模型中的光传输特性形成干扰，电光集成度差。

石墨烯是一种平面的单层碳原子以蜂巢状晶格紧密组合的二维材料，其厚度仅一个碳原子直径(约0.34nm)。石墨烯的特点包括：强度高，柔韧性好；导电性能优异，电导率高达10⁶s/m；特殊的电子能带结构使得其上电子的传输速度高达光速的1/300，大大高于其他一般导体和半导体材料；与此同时，石墨烯对光的吸收很低，仅为2.3％，且在宽广光谱范围内通光性良好；化学性质稳定，不易氧化。正是石墨烯的这些优点，使得它可以替代传统材料成为下一代透明导电电极。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服基于传统透明电极的电光调制器的不足，提供电光集成度高、结构紧凑、制备方便的一种基于石墨烯的反射型空间电光调制器。

本发明设有空间光耦合模块和波导型电光调制模块；所述空间光耦合模块设有光学透明棱镜，所述波导型电光调制模块设有介质上包层、金属上外接电极、石墨烯上电极、电光介质芯层、金属下外接电极、石墨烯下电极和介质下衬底；当波导型电光调制模块在外加电压驱动下工作时，即可实现对空间光波的调制。

所述空间光耦合模块的棱镜由较高折射率的光学透明棱镜构成，空间光耦合模块的棱镜的外形可以是但不限于是三角形棱镜或半圆柱形棱镜。

所述波导型电光调制模块的介质上包层、石墨烯上电极、电光介质芯层、石墨烯下电极、介质下衬底均是光学透明材料，有较高的光学透射性；所述介质上包层与介质下衬底为波导包层，电光介质芯层为波导芯层。

本发明的各组件折射率关系为：构成空间光耦合模块的光学透明棱镜的折射率大于波导所支持模式的等效折射率，且波导中的电光介质芯层的折射率大于介质上包层和介质下衬底的折射率。

所述金属上外接电极和金属下外接电极由较强导电性能的金属组成，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极由单层或多层石墨烯片构成。

所述电光介质芯层由具备电光效应的光学透明材料组成，电光介质芯层的厚度则控制本发明的工作通道的数量，因此可拓展实现多通道电光调制。

本发明的工作原理：待调制空间光波从光源进入该调制器的光学透明棱镜，经过传输后，该光波入射到该棱镜与介质上包层的界面上。当在该界面的入射角大于该界面全反射临界角时，入射光波在光学透明棱镜与介质上包层交界面发生全反射，并在该界面产生倏逝波，该倏逝波场有望激发波导型电光调制模块的导模。当入射角满足相位匹配条件时，入射光波在特定角度处激发导模，空间光能量被耦合到波导芯层内；由于石墨烯电极欧姆损耗的存在，该导模的能量在被耦合回空间光耦合模块前被其吸收，棱镜的反射光光强减弱，形成衰减全反射吸收峰。相位匹配公式为：

n×k×sinθ＝β

其中n为棱镜的折射率，k为光线在真空中的波数，θ为光学透明棱镜与介质上包层交界面的光波入射角度(也称谐振激励角度)，β是导模传播常数。当外加电压分别通过金属上、下外接电极施加于石墨烯上、下电极时，该电光介质芯层被置于该外加电压形成的调制电场中。当外加电压变化时，电场强度随之变化；电光介质芯层的折射率将由于电光效应而发生改变，而导模的传播常数严格依赖波导芯层的折射率，故波导的导模传播常数将随其发生改变，并进而引起空间光波的谐振激励角度或波长的改变。这样在原先的谐振位置上，由于导模传播常数与空间光耦合模块的波矢发生失配，耦合效率降低，反射光波的强度发生变化，从而实现了电光调制的效果。电光材料的折射率随外加电压的变化满足方程：

δn＝(γ×e×n³)/2

其中，n是未加电场时电光材料的折射率，γ是电光系数，e是外加电场强度，δn是外加电场引起的折射率变化。

与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

1)本发明采用了全介质光波导，相较传统空间电光调制器的品质因子高，使得其谐振线宽窄，有望获得小的半波电压；相较传统的基于表面等离激元共振的空间电光调制器，本发明可工作于横电波或横磁波，无偏振相关性。

2)本发明采用了石墨烯电极，其同时成为关键的光学组件和电学组件，使得本发明的光电集成度高，结构紧凑。

3)本发明采用了多层光学结构，制备简易；组件之一的石墨烯电极相对于传统透明电极，机械柔韧性良好、环境友好、成本低廉、易于制备。

4)本发明技术上采取了衰减全反射原理和相位匹配技术，有望获得小的插入损耗。

5)本发明可通过电光介质芯层的厚度控制本发明的工作通道数量，从而拓展多通道应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例所述角度工作模式的角度光谱图。

图3为本发明实施例所述角度工作模式的电压调制曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本发明实施例设有空间光耦合模块1和波导型电光调制模块；所述空间光耦合模块1设有光学透明棱镜，所述波导型电光调制模块设有介质上包层2、金属上外接电极3、石墨烯上电极4、电光介质芯层5、金属下外接电极6、石墨烯下电极7、介质下衬底8。当波导型电光调制模块在外加电压驱动下工作时，即可实现对空间光波的调制。

利用本发明的一种具体实施例为：

所述空间光耦合模块采用光学透明棱镜，材料为zf7玻璃，折射率为1.8；介质上包层的材料为透明氟树脂(etfe)，折射率为1.4，厚度为700；石墨烯上、下电极的厚度为0.34，介电常数为4.1911+7.4685i；电光介质芯层的材料为基于生色团的狄尔斯-阿尔德可交联电光聚合物aj309，折射率为1.64，厚度为1000，电光系数为142pm/v；介质下衬底为空气，折射率为1；金属上、下外接电极为金或银微电极。该调制器的工作波长为1550nm，入射光为横磁波(tm波)，入射角度在51.0576°～90°之间，即大于光学透明棱镜与介质上包层交界面的全反射临界角。

通过调整外加电压，可以微调电光材料的折射率。图2是该具体实施例所述角度工作模式的角度光谱图；调制电压为0v时，反射率曲线如图所示；调制电压为20v时，反射率曲线如图所示；实线对应最小反射率时的入射角58.34°。图3是该具体实施例所述角度工作模式的电压调制曲线，相对反射率为58.34°的角度反射光强在外加电压的影响下，相对于图2中最小反射率0.0044的比值。由图可见，当外加电压在0v至50v范围内变化时，相对反射率由1变化至214.7，从而实现了电光调制。