[发明专利]基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯微细光纤的超高速光信号发生器，包括：微细光纤、石墨烯层、平板基底、泵浦光源和掩膜板。具体组合方式为：石墨烯层置于平板基底之上，微细光纤以盘绕的形式置于石墨烯层上，掩膜板位于石墨烯层的上方，泵浦光源设置于掩膜板的上方；泵浦光源产生的泵浦光经过掩膜板产生衍射条纹照射于石墨烯层上，改变泵浦光的强度调节石墨烯层对载波的吸收特性，产生超高速光信号。

技术领域

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。

发明内容