[发明专利]一种基于石墨烯集成长周期光纤光栅的电光调制器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯集成长周期光纤光栅的电光调制器，适用于光纤通信和光信号处理等领域。本发明公开的电光调制器结构包括：在光纤(2)的纤芯内部写入长周期光纤光栅(3)，在光纤表面涂覆一定厚度的石墨烯(4)，在石墨烯外层接入电极(6)，被调制器的信号经过输入光纤(1)进入调制器被调制，被调制后的信号经过输出光纤(5)输出。该装置利用电极施加驱动电压来改变石墨烯的折射率，从而影响光栅包层模的折射率，实现了对谐振波长的电调谐。该装置能够在满足低插入损耗和高消光比的条件下对信号进行精准调制，该调制器采用全光纤结构，有效降低了耦合损耗，调制器具备重量轻、体积小、抗腐蚀等优点。

技术领域

本发明涉及基于石墨烯集成长周期光纤光栅的电光调制器，该调制器适用于光纤通信和光信号处理等领域。

技术背景

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，光纤通信作为一种目前应用最广的长距离大宽带高速传输方式，对光传输网络的需求量也迅速增长，而在大容量光传输系统中，对光信号的高速调制必不可少。光调制器是高速、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。调制器的主要工作就是实现电光转换，一般要求器件具有较大的带宽、较低的插入损耗和较高的转换效率等。

目前铌酸锂波导调制器是光通信系统中常用的一种调制器方案，其调制器性能较好，工艺较为成熟，但该种调制器存在着半波电压较高、调制效率较低等问题，且由于是铌酸锂器件，无法做到全光纤化，其耦合效果较差。三五族半导体调制器和聚合物调制器也是目前被研究较多的光调制器方案，但三五族半导体调制器的调制尺寸仍然在几百微米甚至毫米量级，同时调制带宽较窄，存在着较严重的啁啾现象。聚合物调制器是根据线性电光效应原理进行工作，具有很高的潜在调制带宽，但该类调制器受温度和光功率影响较大，不够稳定。

相比于集成光学领域，全光纤结构的调制器具有更小的耦合损耗和插入损耗，以及更高的最大光功率。由于光纤调制器比较容易对光强进行控制，而且具有极低的插入损耗，全光纤结构的调制器被广泛使用，并且被集成到光电系统中，比如：光纤调制器可以被用作波分复用系统中的均衡器和用于光纤传感中的器件。由于其在各个领域中具有价值，因此全光纤调制器近几年是科学家们研究的重点，并且得到了巨大的发展。另一方面，在光写集成系统中，现在的大趋势是尽可能地减小器件的尺寸，提高器件的性能，而基于全光纤结构的光学器件可以内部实现调制和控制光纤内部光的传输。因此，全光纤器件在很多领域，比如光纤通信模块和光学传感中都有很重要的作用。

中国专利CN107037613A公开的“基于石墨烯#二硫化钼异质结的带可调谐光栅的M#Z电光调制器”虽然具有尺寸小、消光比高和稳定性较好等优势，但存在着制作工艺要求高等缺点。中国专利CN108535892B公开的“石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器”利用石墨烯费米能级可调的特性，将光子晶体和费米能级结合制作电光调制器，具有调制效率高、能量损耗低等优点，但依然难以解决可批量生产的问题。

随着工业领域对精密仪器的性能要求的提高和光通信领域的飞速发展，对于高性能的光调制器的要求已迫在眉睫，而传统的调制器已不能够恰到好处地满足光通信领域发展的要求。因此，需要一种新的全光纤调制器，不仅能够满足易于集成、插入损耗低、易耦合、高消光比的要求，还能同时达到易于制作、不易受外界环境干扰的标准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯集成长周期光纤光栅的电光调制器。

该发明的基本原理为：当在长周期光纤光栅上涂覆一层薄膜石墨烯时，包层模的有效折射率将受到该层薄膜的折射率的影响。当改变加在石墨上的驱动电压时，石墨烯的费米能级会随之改变，从而改变了石墨烯的折射率，进而影响长周期光纤光栅包层模折射率，最终实现对谐振波长的电调谐。利用这种透射光谱的特殊性，使得信号在进入输出光纤时实现了调制。