[发明专利]一种石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关。

背景技术

全光开关，是一种利用光控光技术，使光信号在通信网络和信号处理中快速地实现开关或者切换的器件。相比电光、声光、机械等开关器件，全光开关具有成本低、兼容性好、抗电磁干扰等优势，在光通信和信号处理等领域拥有巨大的应用前景。微型化、集成化已经成为新型全光器件的重要发展趋势，人们已经提出并报道了多种小尺寸、高性能、高密度集成的新型全光器件。作为典型的微纳光波导之一，微光纤具有强倏逝场、高机械强度(弯曲性能、抗张强度等)、低传输损耗等特性，在光通信、非线性光学、传感测量、量子光学等领域具有广泛的应用前景。由于微光纤能够感应光子动量，因而可通过光力实现基于微光纤的全光开关，但受到机械条件的限制其开关速度很慢。作为微光纤与谐振腔的结合体，微光纤环形腔具有强的光场局域能力以及高灵敏度、高品质因素等优点，有利于形成高消光比的光开关器件。目前，已有多种基于微光纤环形腔的光开关器件被提出和报道。例如，将微光纤缠绕在压电陶瓷周围构成谐振腔，通过调制压电陶瓷改变腔的长度，从而实现可调谐的共振波长，改变特定波长信号光的输出强度。但是，这种方法仍涉及机械调制，器件稳定性较差，且调制速度较慢。还有一种利用光驱动技术实现光开关的方法是，在微光纤环形腔周围涂覆光敏液晶材料，利用外加光场辐照光敏液晶，调制液晶的折射率，从而改变光信号在谐振腔中传输时的共振波长以达到光调谐的效果。但是，这种结构操作较为复杂，而且受制于液晶本身的响应时间，其开关速度较慢。

发明内容

要解决的技术问题

为克服现有光开关器件在成本高、兼容性差、效率低、速度慢等方面的缺点，本发明旨在提供一种石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关，其特征包括石墨烯薄膜和微光纤环形腔；所述石墨烯薄膜通过裹覆方式集成于微光纤环形腔；所述微光纤环形腔器件可以是微光纤经环绕制成的“圈形”环形腔或经打结制成的“结型”环形腔，也可以是将微光纤两端融合而形成的“圆环形”环形腔；所述微光纤“圈形”环形腔可以是单圈型，也可以由多圈绕成；所述石墨烯薄膜可以是由化学气相沉积法生长在金属箔上，并通过化学腐蚀法将金属箔去除后形成的石墨烯薄膜，也可以是利用机械剥离法剥离得到的石墨烯薄膜；所述石墨烯薄膜被转移至微光纤环形腔的腔体部分光纤上，形成石墨烯辅助的微光纤环形腔；所述石墨烯薄膜可以覆盖至微光纤环形腔的全部腔体，也可以是部分腔体；所述石墨烯薄膜与微光纤环形腔泄漏的倏逝场具有强烈的相互作用。

本发明所采用的工作原理，其特征在于如下：

石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关的驱动光和信号光通过波分复用器进行合束，并同时进入由石墨烯薄膜与微光纤环形腔构成的全光开关器件；所述驱动光通过对全光开关器件进行控制从而达到调制信号光的目的；所述驱动光与所述信号光具有不同波长；所述驱动光在全光开关器件中传输时，部分光场泄漏于微光纤环形腔外围的石墨烯薄膜中；所述石墨烯薄膜吸收泄漏的驱动光场，并通过光热效应产生欧姆热能；所述石墨烯薄膜产生的欧姆热能通过热传导的方式使微光纤环形腔的温度升高；所述微光纤环形腔的温度升高后通过热光效应发生折射率变化，从而石墨烯辅助微光纤环形腔的共振波长发生移动；所述信号光波长在石墨烯辅助微光纤环形腔的共振波段时，在腔内发生共振，此时输出光功率为最小；相反，信号光波长在非共振波段时，输出光功率为最大；因此，通过驱动光调制石墨烯辅助微光纤环形腔的共振波长，可以控制信号光输出光功率的大小，即可实现全光开关功能。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比具有以下有益效果：

1、石墨烯是一种二维单原子层材料，具有周期性排列的六角蜂窝状结构，这种特殊的二维结构使其具有优良的光、电、机械等特性。其中，石墨烯对光具有强烈的吸收，其单层原子薄膜对光的吸收率可高达2.3％。并且，拥有零带隙电子结构的石墨烯在吸收光子后，所激发的载流子不发生光子跃迁行为，而是将所吸收的光子能量完全转化为欧姆热能。因此，石墨烯具有高效的光热效应，并且所转化的欧姆热与光子能量成正比，有益于石墨烯辅助的微光纤环形腔全光开关的光能吸收和光热转化。