一种石墨烯辅助型的D型超细光纤结构的制作方法

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种具有较强光学非线性特性的石墨烯辅助型的d型超细光纤结构。

背景技术：

石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，是一种新型的材料，有着独特、优异的光电子学特性，被认为在未来是传统的半导体材料的理想代替者。石墨烯具有的零带隙结构，使它可以在非常宽的光波长范围内发挥作用，对较宽范围内的光波都具有显著的2.3％的吸收，石墨烯还具有较大的三阶非线性系数χ⁽³⁾＝1.4×10^-15m²v^-2，在外加电压下，光导率也会随之发生变化，从而改变其折射率和吸收率。另外，在工艺方面，石墨烯与传统的cmos工艺兼容，易于集成，正是因为石墨烯具有这些优异的特性，所以石墨烯材料被认为在光电子器件方面有着潜在的重要应用。

由于石墨烯以上的优异性能，它常被用在光纤领域中，目前的石墨烯光纤是在光纤的光纤包覆层上或者靠近纤芯的位置包裹石墨烯，但是，由于光纤纤芯很厚，这将会影响石墨烯与倏逝场的相互作用。并且，虽然石墨烯表现出了较高的非线性特性，但是石墨烯的非线性特性由于其较小的与光场的相互作用面积和较高的光损耗，石墨烯光纤无法获取石墨烯较高的非线性特性，使得石墨烯与倏逝场的作用效果不明显。因此在实际应用中被利用的很少，为了解决这个问题，采取的方法为将石墨烯铺设在硅或者聚合物波导上做成的器件，但将不可避免地会遇到与光纤尾端对接的问题，会产生较大的插入损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决传统的石墨烯光纤无法获取石墨烯较高的非线性特性的难题，并同时降低器件的插入损耗和功耗，本发明提供一种石墨烯辅助型的d型超细光纤结构。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯辅助型的d型超细光纤结构，包括纤芯和纤芯包覆层，其特征在于，所述纤芯包括直接暴露在空气中的暴露段和被纤芯包覆层包覆的非暴露段；暴露段下方设有支撑机构；暴露段的中段抛光形成d型光纤段，d型光纤段的抛光面上设有与其接触的石墨烯层，石墨烯层的宽度大于纤芯的直径，石墨烯层在纤芯轴向两侧的两端分别设有与石墨烯接触的第一电极第二电极。

具体地，所述支撑机构为u型凹槽，u形凹槽分为凹陷部和凸起部，所述暴露段位于凹陷部中，石墨烯层在纤芯轴向两侧的两端由凸起部支撑。

进一步地，还包括基底层，基底层的长度大于所述暴露段的长度，整个所述u型凹槽位于基底层上，所述基底层的轴向两端的上方设有第一支柱和第二支柱，所述暴露段与所述非暴露段的两个连接处分别由第一支柱和第二支柱支撑。

所述第一电极和第二电极设置在石墨烯层的上方。

优选地，所述纤芯的直径为1～5μm。

优选地，所述说石墨烯层为厚度为0.34nm的单层石墨烯。

优选地，所述基底层材料为p型硅，所述u型凹槽材料为硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物，所述第一支柱和第二支柱的材料为紫外固化胶。

具体地，所述第一电极或第二电极的材质为金、银、铜、铂、钛、镍、钴、钯中的任意一种或几种。

采用上述方案后，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用全光纤结构，避免了其他波导结构与光纤对接时所产生的插入损耗问题，同时将石墨烯直接贴附在d型超细光纤的抛光面上，免去了石墨烯转移放置时与光波导的对准难题，制备工艺简单，易于实现。

(2)本发明采用d型超细光纤，可以改变d型光纤的抛光深度来改变光纤中分布在纤芯外层的光场能量，使石墨烯与光场充分作用，获得较高的石墨烯非线性系数(γ可达10⁶w^-1m^-1)，同时较高的非线性系数使得器件在较小的尺寸、较低的外加电压下即可实现石墨烯与光的充分作用，能有效减小器件的尺寸，降低了器件的功耗。

(3)本发明在光纤的暴露段和非暴露段的连接处的下方设置了支撑柱。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的图1中a截面结构示意图；

图3为本发明的d型光纤段的半径参数示意图；

图4是本发明d型光纤中石墨烯非线性折射率的实部随石墨烯化学势变化曲线示意图；

图5是d型光纤在抛光半径为r＝1.35μm时，该结构中石墨烯的非线性系数γ随石墨烯化学势变化曲线示意图；

图6是d型光纤在抛光半径为r＝1.35μm，实现π相位变化时，对应的开关功率pπ随石墨烯化学势变化曲线示意图；

图中标记：1-纤芯，11-暴露段，111-d型光纤段，12-非暴露段，3-支撑机构，31-凹陷部，32-凸起部，4-石墨烯层，51-第一电极，52-第二电极，6-基底层，71-第一支柱，72-第二支柱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

一种石墨烯辅助型的d型超细光纤结构，包括纤芯1和纤芯包覆层2，其特征在于，所述纤芯1包括直接暴露在空气中的暴露段11和被纤芯包覆层2包覆的非暴露段12；暴露段11下方设有支撑机构3；暴露段11的中段抛光形成d型光纤段111，d型光纤段111的抛光面上设有与其接触的石墨烯层4，石墨烯层4的宽度大于纤芯1的直径，石墨烯层4在纤芯1轴向两侧的两端分别设有与石墨烯4接触的第一电极51第二电极52。第一电极51和第二电极52设置在石墨烯层4的上方。

支撑机构3为u型凹槽，u形凹槽分为凹陷部31和凸起部32，所述暴露段11位于凹陷部31中，石墨烯层4在纤芯1轴向两侧的两端由凸起部32支撑。

还包括基底层6，基底层6的长度大于所述暴露段11的长度，整个所述u型凹槽位于基底层6上，所述基底层6的轴向两端的上方设有第一支柱71和第二支柱72，所述暴露段11与所述非暴露段12的两个连接处分别由第一支柱71和第二支柱72支撑。

本实施例中，入射光波长为1550nm,d型光纤段111的直径为r＝1.5μm，抛光半径为r＝1.35μm，纤芯折射率n＝1.45,基底层6材料为p型掺杂硅，u型凹槽的材料为二氧化硅，单层石墨烯厚度设为0.34nm，第一电极51和第二电极52的材料均为金与钯，其中，底层为金，上层为钯，第一支柱71和第二支柱72的材料为紫外固化胶。

本发明的工作原理为：输入光输入纤芯1后，在d型光纤段111纤芯泄露出的倏逝场与石墨烯层4相互作用，通过控制d型抛光面的抛光深度或者抛光半径r,可以控制与石墨烯相互作用的倏逝场的强度大小，同时，石墨烯的费米能级具有电控可调的特性，通过在第一电极51上和第二电极52上外加电压，调节石墨烯与倏逝场的相互作用效果，可以测得石墨烯的一些特性参数，比如石墨烯的非线性折射率n2，gr、非线性系数γ、实现π相移的开关功率pπ。

石墨烯非线性折射率n2，gr、非线性系数γ、实现π相移的开关功率pπ的定义如下：

pπ＝π/γleff,max

式中，δc为石墨烯的介电常数，η0为特征电阻，本发明中采用η0＝377ω，ε0为真空介电常数，δgr为单层石墨烯的厚度，ω为角频率，μc为石墨烯化学势，νf为费米速率，d为光纤截面x-y面所在的积分区域，leff,max石墨烯与光纤有效作用区域长度的最大值。

图4是本发明d型光纤中石墨烯非线性折射率的实部随石墨烯化学势变化曲线示意图，图中可以看出石墨烯在化学势0.4ev-0.5ev时，对应的非线性折射率实部变化较为迅速；图5是d型光纤在抛光半径为r＝1.35μm时，该结构中石墨烯的非线性系数γ随石墨烯化学势变化曲线示意图，由图可知，石墨烯非线性系数γ的范围为10-10⁶w^-1m^-1，是已报道pmma-graphene-pmma结构中系数γ(10^-2-10⁴w^-1m^-1)的10²倍，由图6可知，石墨烯与光场相互作用十分充分，实现π相移的开关功率pπ的值较小(10^-3-1w),比已报道pmma-graphene-pmma结构中开关功率pπ(10²-10⁴w)要小得多。

本发明一种具有较强光学非线性特性的石墨烯辅助型的d型超细光纤结构，具有较高的石墨烯非线性特性，较低的开关功率值和较小的器件尺寸，采用全光纤结构避免了波导结构与光纤对接所产生的插入损耗，为新的全光纤石墨烯非线性光器件的设计与应用提供了思路与方法。