[发明专利]基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器

说明书

一种基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器。本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及光调制领域。调制器示意图如摘要附图，普通单模光纤包层3经过切割及研磨形成工字型结构，上下两层分别加工至距纤芯4相同的距离，保证光场主要部分在纤芯中传输；二维材料薄膜5分别刻写在硅基底1上表面及工字型光纤上侧，再将工字型光纤反向堆砌在基底上；电极2渡在硅支架6两侧以提供调制所需的电压。经过上述设置，通过对调制器施加不同电压，观察经过调制器后的光强变化，得到调制深度、调制电压、插入损耗等参数。该电光调制器通过工字型结构有效降低了插入损耗，双层涂覆二维材料能提高调制效率，降低调制电压。

技术领域

本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及光调制领域。

背景技术

信息社会中，数据通信和因特网的日益发展促使市场对传输速率和通信容量需求不断增加，从而对光传输网络的需求量也迅速增长，在大容量光传输系统中，对光信号的高速调制必不可少。光纤通信是信息产业的基石，是《国家中长期发展规划纲要》重点强调的研究领域，是关系国计民生和国家实力的重大课题。光通信技术在最近几十年间取得了巨大的进步，也与我们的生活息息相关。而光通信中光器件的设计尤为重要，伴随着光通信技术的巨大进步，二维材料与全光纤结构结合的电光器件在未来全光纤光通信中具有巨大的应用潜力。其中，调制器可将携带信息的电信号加载到光波上，是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。

传统的电光调制器多采用波导结构，利用高电光系数材料，通过控制外电场来改变晶体折射率，从而改变光波的相位或强度。目前，基于马赫增德尔波导结构的LiNbO₃行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。然而这种调制器的缺点是半波电压较高，器件尺寸较大，且无法做到全光纤化，导致耦合进光纤系统时插入损耗较高。研究全光纤结构调制器为解决上述问题提供了可能，但二氧化硅电光系数较低，调制效率较低。近年来，随着石墨烯等二维材料的深入研究，可以将二维材料与微结构光纤相结合，形成新型微结构光纤电光调制器，用于克服以上诸多瓶颈。

随着微结构光纤制作工艺日趋成熟，微结构光纤集成器件的应用也越来越广泛。传统铌酸锂调制器相比，微结构光纤调制器具有较小尺寸、较低调制电压和较低的插入损耗等优势，成为全光纤通信系统中重要组成部分。2013年，浙江大学提出了基于D型光纤的石墨烯相位调制器，将氧化铝、石墨烯依次涂覆在侧边研磨光纤的模切区，表明石墨烯的化学势能和相位存在直接的线性关系，且实现π相移仅需要127微米的光纤长度【Zhou F,HaoR,Jin X F,et al.A Graphene-Enhanced Fiber-Optic Phase Modulator With LargeLinear Dynamic Range[J].IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(18):1867-1870.】。2017年，电子科技大学提出一种基于D型的石墨烯微纳光纤全光调制器，消光比高达17.8dB，调制带宽为97.26GHz【Shah MK,Ye SW,Zou XH,Yuan F,Jha A,Li ZY,Lu RG,LiuY.Graphene-Assisted Electroabsorption Optical Modulator Using D-Microfiber[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2016,23(1):1-5.】。但是上述D型结构光纤均大幅度破坏光纤原有的结构，切割面涉及纤芯，产生极大的损耗，无法满足实际应用的需求(约为≤1dB)。而本专利提出的新型工字型结构，只切割包层，保护纤芯的完整性，能大幅度降低器件的插入损耗。

本专利重在研究尺寸小、低插入损耗、低调制电压的微结构全光纤调制器及其制备技术。提出结合飞秒激光加工和侧边研磨工艺，在光纤获得特殊的工字型微结构，建立微结构工字型光纤调制器理论模型，完成调制器关键参数设计，研究工字型微结构光纤向二维材料表面反向堆砌工艺，并进行性能验证。

发明内容

本文提出了一种基于二维材料涂覆的工字型微结构光纤电光调制器，并进行了理论验证。