本發(fā)明屬于通信用光纖器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器。

背景技術(shù)：

光時(shí)分復(fù)用技術(shù)(Optical Time Division Multiplexing,OTDM)采用延時(shí)技術(shù)將低速的光信號(hào)進(jìn)行延時(shí)后復(fù)用而形成超高速光信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)單信道內(nèi)的超高速通信，是支撐現(xiàn)代通信干線網(wǎng)主體的主要技術(shù)。

現(xiàn)有的產(chǎn)生超高速光信號(hào)的方法都要依賴于超短脈沖光源，光脈沖的寬度和重復(fù)頻率決定了系統(tǒng)最大復(fù)用速率。鎖模光纖激光器采用諧波鎖模時(shí)穩(wěn)定性差，采用閉環(huán)誤差信號(hào)反饋控制腔長(zhǎng)的方法時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鎖模光纖激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜；多量子阱混合鎖模半導(dǎo)體激光器的芯片成品率極低，需要昂貴的半導(dǎo)體加工設(shè)備，器件壽命不如鎖模光纖激光器的器件壽命，并且價(jià)格過(guò)高。為了提供足夠時(shí)延，現(xiàn)有的OTDM復(fù)用器的每個(gè)臂上采用長(zhǎng)光纖，可以消除干涉現(xiàn)象造成的時(shí)延擾動(dòng)，但是環(huán)境溫度變化會(huì)改變時(shí)延特性，該種設(shè)計(jì)不具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。而全偏振型光時(shí)分復(fù)用器的價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備可變時(shí)延線、可變衰減器和偏振控制器等裝置。另外，這種分臂結(jié)構(gòu)的延時(shí)器對(duì)于較高的制作精度要求，不易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)外界環(huán)境的擾動(dòng)也很敏感。

采用基于連續(xù)光源加更快響應(yīng)時(shí)間的級(jí)聯(lián)電吸收調(diào)制器的結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)易、廉價(jià)產(chǎn)生高穩(wěn)定超高速信號(hào)的更佳手段。石墨烯是由碳原子以sp²雜化軌道組成正六邊形呈蜂窩狀晶格的二位氮原子層平面晶體薄膜，狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)使其具有各種奇特和突出的光電性能(飽和吸收、超快載流子躍遷和弛豫過(guò)程等)?；谶@些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測(cè)器、偏振控制器、光限幅器以及光伏器件、透明電極和導(dǎo)電薄膜已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)演示或商品化。其中，基于石墨烯的光調(diào)制器在調(diào)制速度方面展現(xiàn)了其他材料調(diào)制器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也兼顧集成性、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬和功耗等方面的考慮。

自2011年加州大學(xué)伯克利分校的劉明等人首次實(shí)現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制器以來(lái)，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)被報(bào)道，成為目前基于石墨烯調(diào)制研究的主要方向。繼劉明等人提出條形結(jié)構(gòu)石墨烯電光調(diào)器后，Grigorenko A N和新加坡國(guó)立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)于2012年分別提出了馬赫增德結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的石墨烯電光調(diào)制器，構(gòu)成了目前三種主要的電光石墨烯調(diào)制結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)依靠電調(diào)吸收實(shí)現(xiàn)調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兼容CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝，但插入損耗和器件能耗大，需要克服電極部分的材料電阻的問(wèn)題。馬赫增德結(jié)構(gòu)依靠Pockets效應(yīng)電壓調(diào)節(jié)材料的折射率，雙臂干涉調(diào)整輸出光功率，光學(xué)帶寬大，溫度容差高。環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)電調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)諧振效果，具有較大的消光比和較小的器件尺寸。這些結(jié)構(gòu)都使用電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)改變對(duì)光的吸收特性實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，在調(diào)制速率(仿真計(jì)算)、調(diào)制深度、調(diào)制帶寬、面積效率和功耗等方面都展示了非常優(yōu)良的性能。但它們的寄生電容使電子回路相當(dāng)于一個(gè)RC低通濾波器(3dB電信號(hào)截止頻率f＝1/2πRC，電子瓶頸)，使實(shí)驗(yàn)中最高的調(diào)制速率無(wú)法突破1GHz量級(jí)，遠(yuǎn)低于仿真計(jì)算的結(jié)果(幾十到幾百GHz)。

將光纖作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合，可以使調(diào)制器借助光纖的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制器與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，輸入輸出耦合損耗極低；光可以在光纖中以基模傳輸，傳輸損耗極低；光纖結(jié)構(gòu)理論成熟、性能清晰、種類多樣，利于與石墨烯結(jié)合設(shè)計(jì)出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器。

采用二維平面結(jié)構(gòu)的器件尺寸都會(huì)相對(duì)較大，這對(duì)制造工藝在空間上的一致性會(huì)有很高的要求。同時(shí)大尺寸器件對(duì)環(huán)境溫度分布和振動(dòng)都比較敏感，降低了其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，大尺寸器件在集成性上都具有劣勢(shì)。采用三維立體結(jié)構(gòu)的器件，可以有效避免以上三個(gè)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，包括微細(xì)光纖1、棒狀基底2和石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3環(huán)繞于棒狀基底2的側(cè)表面，形成棒狀結(jié)構(gòu)；

微細(xì)光纖1纏繞在棒狀結(jié)構(gòu)的表面，棒狀結(jié)構(gòu)的兩端分別為正電極4和負(fù)電極5，正電極4與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的一端相連，負(fù)電極5與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的另一端相連。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述棒狀基底2為圓柱形，直徑＞1mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述棒狀基底2的材質(zhì)為二氟化鎂。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3由若干平行于棒狀基底2的石墨烯柵層構(gòu)成。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的厚度≤3.35nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的周期長(zhǎng)度≥1.2mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1的直徑為1μm～80μm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1均勻的纏繞在棒狀結(jié)構(gòu)的表面，相鄰圈的間距為微細(xì)光纖1的直徑的2～5倍。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3通過(guò)激光刻寫的方法形成。

本發(fā)明所述的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)調(diào)節(jié)正電極與負(fù)電極的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，產(chǎn)生超高速光信號(hào)，通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)無(wú)電壓的時(shí)間長(zhǎng)度可以控制脈沖寬度。

本發(fā)明的工作原理：微細(xì)光纖中的載波經(jīng)微細(xì)光纖的倏逝場(chǎng)效果擴(kuò)散到石墨烯柵結(jié)構(gòu)中與之相互作用。棒狀結(jié)構(gòu)兩端的電極為石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的變化提供電壓，調(diào)節(jié)石墨烯材料的費(fèi)米能級(jí)，改變其對(duì)載波的吸收特性，吸收的位置無(wú)脈沖，不吸收的位置有脈沖。石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3以及纏繞的微細(xì)光纖1使得載波在微細(xì)光纖1的軸向空間上周期性地被石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3吸收，以此來(lái)形成脈沖序列。細(xì)密的石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3和超快的響應(yīng)時(shí)間使得這種周期性的吸收在空間上可以非常細(xì)密，從而產(chǎn)生高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)，即超高速信號(hào)。由于微細(xì)光纖的直徑極小，在很短的一段棒狀結(jié)構(gòu)上可以纏繞圈數(shù)極其多的微細(xì)光纖，這使得電壓信號(hào)的變化速度可以降得很低，就能夠?qū)崿F(xiàn)超高速信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)緊湊強(qiáng)健，能夠在惡劣環(huán)境下使用，對(duì)溫度和振動(dòng)等因素都不敏感。極小的器件尺寸也使得該結(jié)構(gòu)非常利于集成的考慮。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)用空間調(diào)制的方式，以很低的電信號(hào)變化速度產(chǎn)生了超高速的光信號(hào)。

(2)石墨烯柵結(jié)構(gòu)層通過(guò)激光刻寫的方法形成，易于精細(xì)制作，可以精確控制相鄰脈沖間的間距。

(3)該超高速電光信號(hào)發(fā)生器對(duì)使用環(huán)境不敏感，對(duì)溫度和振動(dòng)等外界因素都有很高的適應(yīng)性。

(4)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時(shí)間、超寬波長(zhǎng)調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢(shì)。

(5)微細(xì)光纖作為基本波導(dǎo)，與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼容，輸入輸出耦合損耗極低；載波在微細(xì)光纖中以基模傳輸，傳輸損耗極低。

(6)該超高速電光信號(hào)發(fā)生器的尺寸非常小，在集成性方面占據(jù)極大優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2實(shí)例一中的電壓變化示意圖；

圖3實(shí)例二中的電壓變化示意圖；

圖4實(shí)例一中產(chǎn)生的超高速光信號(hào)示意圖；

圖5實(shí)例二中產(chǎn)生的超高速光信號(hào)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1至5對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，包括微細(xì)光纖1、棒狀基底2和石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3；

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3環(huán)繞于棒狀基底2的側(cè)表面，形成棒狀結(jié)構(gòu)；

微細(xì)光纖1纏繞在棒狀結(jié)構(gòu)的表面，棒狀結(jié)構(gòu)的兩端分別為正電極4和負(fù)電極5，正電極4與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的一端相連，負(fù)電極5與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的另一端相連。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述棒狀基底2為圓柱形，直徑＞1mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述棒狀基底2的材質(zhì)為二氟化鎂。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3由若干平行于棒狀基底2的石墨烯柵層構(gòu)成。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的厚度≤3.35nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的周期長(zhǎng)度≥1.2mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1的直徑為1μm～80μm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1均勻的纏繞在棒狀結(jié)構(gòu)的表面，相鄰圈的間距為微細(xì)光纖1的直徑的2～5倍。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3通過(guò)激光刻寫的方法形成。

所述石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3中的石墨烯柵層是周期性間隔排布的，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3的周期長(zhǎng)度為兩條石墨烯柵層的間隔長(zhǎng)度。

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層環(huán)繞在棒狀基底上作為光吸收介質(zhì)，微細(xì)光纖纏繞在該覆有石墨烯柵結(jié)構(gòu)層的棒狀結(jié)構(gòu)表面作為載波的基本波導(dǎo)。通過(guò)調(diào)節(jié)棒狀結(jié)構(gòu)兩端的電極來(lái)調(diào)節(jié)石墨烯柵結(jié)構(gòu)層的電壓，改變石墨烯材料的費(fèi)米能級(jí)，控制石墨烯柵結(jié)構(gòu)層對(duì)載波的吸收。石墨烯柵結(jié)構(gòu)層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載波在空間上的周期性吸收，由于柵結(jié)構(gòu)細(xì)密并且石墨烯具有極短的響應(yīng)時(shí)間，因此產(chǎn)生的脈沖序列具有超高重復(fù)頻率和超窄脈寬的特性。相比于已有的光復(fù)用系統(tǒng)，該石墨烯柵結(jié)構(gòu)層通過(guò)激光刻寫的方法可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的制作，可以簡(jiǎn)單精確地控制相鄰脈沖間的間隔。同時(shí)，本發(fā)明所述超高速電光信號(hào)發(fā)生器對(duì)使用環(huán)境也不敏感。基于石墨烯的超快載流子響應(yīng)時(shí)間，該信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生450Gb/s的超高速信號(hào)。相比于已有的單點(diǎn)位置信號(hào)發(fā)生器，隨著纏繞微細(xì)光纖長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，所加電壓的變化速度可以無(wú)限減小，實(shí)現(xiàn)從極低速電信號(hào)到超高速光信號(hào)的轉(zhuǎn)化。更加值得注意的一點(diǎn)，由于本發(fā)明所述超高速電光信號(hào)發(fā)生器采用了纏繞方式，將傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)吸收方式由平面結(jié)構(gòu)變成了空間結(jié)構(gòu)，從數(shù)量級(jí)上地減小了空間尺寸，在集成性方面占據(jù)極大優(yōu)勢(shì)。

實(shí)施例一：

如圖1所示，基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，包括微細(xì)光纖1、棒狀基底2、石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3、正電極4、負(fù)電極5。

具體組合方式為：石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3環(huán)繞于棒狀基底2側(cè)表面，微細(xì)光纖1纏繞在覆有石墨烯層3的棒狀結(jié)構(gòu)表面，棒狀結(jié)構(gòu)兩端面分別為正電極4和負(fù)電極5與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3相連提供電壓，改變石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3對(duì)載波的吸收作用。

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3厚度為0.335nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3周期長(zhǎng)度為1.2mm。

棒狀基底2的直徑為14mm，高度為1mm。

微細(xì)光纖1的直徑為1μm，相鄰圈的間距為3.5μm，圈數(shù)為27。

經(jīng)過(guò)上述設(shè)置，按照?qǐng)D2調(diào)節(jié)正電極4與負(fù)電極5的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，得到如圖4的超高速光信號(hào)，電壓變化速度為360Mhz，一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)無(wú)電壓時(shí)間為3ps，產(chǎn)生的光信號(hào)速度為360Gb/s，脈沖寬度為3ps。

實(shí)施例二：

如圖1所示，基于立體柵結(jié)構(gòu)石墨烯微細(xì)光纖的超高速電光信號(hào)發(fā)生器，包括微細(xì)光纖1、棒狀基底2、石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3、正電極4、負(fù)電極5。

具體組合方式為：石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3環(huán)繞于棒狀基底2側(cè)表面，微細(xì)光纖1纏繞在覆有石墨烯層3的棒狀結(jié)構(gòu)表面，棒狀結(jié)構(gòu)兩端面分別為正電極4和負(fù)電極5與石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3相連提供電壓，改變石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3對(duì)載波的吸收作用。

石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3厚度為0.335nm，石墨烯柵結(jié)構(gòu)層3周期長(zhǎng)度為1.2mm。

棒狀基底2直徑為14mm，高度1mm。

微細(xì)光纖直徑1μm，相鄰圈間距3.5μm，圈數(shù)27。

經(jīng)過(guò)上述設(shè)置，按照?qǐng)D3調(diào)節(jié)正電極4與負(fù)電極5的電壓差產(chǎn)生電信號(hào)，得到如圖5的超高速光信號(hào)，電壓變化速度為360Mhz，一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)無(wú)電壓時(shí)間為1.5ps，產(chǎn)生的光信號(hào)速度為360Gb/s，脈沖寬度為1.5ps。

本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。