[发明专利]一种石墨烯辅助型的D型超细光纤结构

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；