本發(fā)明屬于通信用光纖器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器。

背景技術(shù)：

任意波形光脈沖(OAWG)可以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)對(duì)超高速傳輸速率和超寬帶寬的需求：OAWG可以產(chǎn)生寬帶微波信號(hào)，比如適合通信的高斯信號(hào)以及能量效率較高的波形；OAWG可以提供復(fù)雜的全光矢量調(diào)制格式，如QAM、QPSK、DPSK、DSB-SC等，提高傳輸頻譜效率；OAWG可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行色散補(bǔ)償，提高信號(hào)質(zhì)量；OAWG可以進(jìn)行太赫茲信號(hào)合成，適應(yīng)超高速通信系統(tǒng)；OAWG在全光報(bào)文分組網(wǎng)絡(luò)中，用于產(chǎn)生光標(biāo)簽；OAWG還可以產(chǎn)生任意微波信號(hào)，如多通道時(shí)分復(fù)用的射頻任意波形。

對(duì)光波型的控制可以從頻域和時(shí)域兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)。頻域方法主要基于衍射光柵、陣列波導(dǎo)和光纖光柵等器件?；谘苌涔鈻诺念l域方法利用衍射光柵將輸入光脈沖的頻譜成分在空間上進(jìn)行分離，光脈沖形狀由掩膜版在頻域上的傅里葉變換模式?jīng)Q定。固定掩膜版無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)控，而利用可編程的空間光調(diào)制器可以對(duì)不同空間位置的光進(jìn)行幅度和相位調(diào)節(jié)，然而實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出要求空間光調(diào)制器具有較高的調(diào)制帶寬和空間分辨率。2005年，Z.Jiang等人提出逐行整形的概念，使用高分辨率衍射光柵獲得的空間光梳作為輸入，利用液晶空間光調(diào)制器獨(dú)立控制每條譜線，獲得高占空比的輸出波形。可是在這種方法中，空間光調(diào)制器的調(diào)制速度與產(chǎn)生波形的質(zhì)量需要平衡，無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)這種方法存在準(zhǔn)直控制復(fù)雜、耦合損耗高和不易集成等問(wèn)題，限制實(shí)際應(yīng)用。

陣列波導(dǎo)光柵通道較多，可以用來(lái)分辨光梳中的各條譜線，與調(diào)制器陣列相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)譜線幅度和相位獨(dú)立的操控。然而基于陣列波導(dǎo)光柵的方法整形的譜線數(shù)量受到其自由光譜范圍的限制，目前最多為49條，同時(shí)相鄰?fù)ǖ篱g色度的干擾也是頻域分辨率無(wú)法低于10Ghz。

基于光纖光柵的整形結(jié)構(gòu)使得簡(jiǎn)單低損耗的全光纖系統(tǒng)成為可能。由于具有復(fù)雜反射譜的光纖光柵制作難度較高，Naum K.Berger等人提出了級(jí)聯(lián)均勻光纖布拉格光柵，并設(shè)計(jì)了各光柵的反射率、時(shí)延和相移。

其他產(chǎn)生任意波形的方法還有：色散補(bǔ)償光纖結(jié)合電光相位調(diào)制器、基于微波光子濾波器(MZ干涉儀結(jié)合電光調(diào)制器)、產(chǎn)生任意形狀電脈沖控制激光、利用交叉相位調(diào)制中產(chǎn)生的非線性相移和光纖環(huán)境對(duì)光脈沖整形、利用非線性高雙折射光纖實(shí)現(xiàn)脈沖整形以及脈沖堆積等辦法。

頻域波形控制方法在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于外界環(huán)境有較高的要求，分布在空間中的不同頻率成分很難對(duì)于環(huán)境噪聲有相同的響應(yīng)，影響了控制的準(zhǔn)確性。很多情況下頻域方法是對(duì)各波長(zhǎng)分別進(jìn)行相位操作，這要求器件制作有很高的精度。同時(shí)，頻域方法基于光梳輸入，這對(duì)光梳的數(shù)量和頻率間隔都有要求。采用合適的時(shí)域方法可以有效地減小環(huán)境的影響，同時(shí)降低器件的制作難度?；谡{(diào)制器的時(shí)域方法要求調(diào)制器具有超快的響應(yīng)速度、調(diào)制深度和很小的尺寸，以石墨烯為代表的二維材料是很好的選擇。

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。

基于石墨烯的電光調(diào)制器通過(guò)改變電壓調(diào)控石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，控制石墨烯對(duì)載波的傳輸和吸收性能實(shí)現(xiàn)調(diào)制，同時(shí)石墨烯超快的載流子弛豫速度使得這種調(diào)制的速度可以非?？?幾百fs到幾ps)。超寬波長(zhǎng)調(diào)制范圍、大調(diào)制深度、低功耗和高面積效率也是石墨烯給予全光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。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。

將光纖作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合使調(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，極低的輸入、輸出耦合損耗；光可以在光纖中以基模傳輸，極低的傳輸損耗；光纖結(jié)構(gòu)理論成熟、性能清晰、種類(lèi)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。

需要注意的是，已有的調(diào)制器都是采用空間上單點(diǎn)調(diào)制的方式，這樣產(chǎn)生的已調(diào)信號(hào)的速度等于調(diào)制信號(hào)速度，當(dāng)需要在載波中加載超高頻率的信號(hào)時(shí)就需要超高速的調(diào)制信號(hào)，而產(chǎn)生超快電信號(hào)的高速電路與產(chǎn)生超高重復(fù)頻率光脈沖序列的光系統(tǒng)都是難以制作的，價(jià)格也是昂貴的。光時(shí)分復(fù)用是產(chǎn)生高速信號(hào)一種有效的辦法，但是光時(shí)分復(fù)用器對(duì)制作精度要求很高，而且對(duì)溫度敏感，同時(shí)其本身需要很窄的脈沖光作為光源。將高重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)在空間上拆解為很多低重復(fù)頻率的調(diào)制信號(hào)，在光波導(dǎo)的不同位置同時(shí)加載，對(duì)載波的不同空間部分進(jìn)行同時(shí)調(diào)制同樣可以得到高速調(diào)制的效果，這種方法由本發(fā)明首次提出，稱(chēng)為空間調(diào)制。

基于上述石墨烯空間調(diào)制器的任意光波形發(fā)生器在空間上對(duì)不同位置的載波進(jìn)行不同的吸收，時(shí)域上產(chǎn)生任意光波形，該發(fā)生器具有上述石墨烯空間調(diào)制器的所有優(yōu)點(diǎn)，是石墨烯空間調(diào)制器的一種很好的應(yīng)用。

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)明提出了基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器，旨在精確產(chǎn)生無(wú)限定范圍任意需要的波形。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器，包括：微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3、負(fù)電極陣列4和平板基底5；

所述石墨烯柵層2置于平板基底5上，所述微細(xì)光纖1置于石墨烯柵層2上；

所述正電極陣列3包括多個(gè)正電極，所述負(fù)電極陣列4包括多個(gè)負(fù)電極；

所述正電極陣列3的各正電極與負(fù)電極陣列4的各負(fù)電極分別連接于石墨烯柵層2各單元的兩端。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1的直徑為1-20μm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2的層數(shù)小于10。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2各單元的長(zhǎng)度為20-500μm，相鄰單元間距為100-3000μm，單元數(shù)為30。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2的空間周期在微米量級(jí),所述空間周期為兩條相鄰石墨烯帶的間距。

經(jīng)過(guò)上述設(shè)置，將所需波形編輯成電極陣列產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，以較低頻率改變電極陣列所產(chǎn)生的空間電信號(hào)陣列，該發(fā)生器可以精確產(chǎn)生任意所需波形。

本發(fā)明基本原理：微細(xì)光纖1具有強(qiáng)烈的倏逝場(chǎng)，將載波擴(kuò)散到石墨烯柵層2中接受調(diào)制。電極陣列的各正、負(fù)電極對(duì)分別向石墨烯柵層2中對(duì)應(yīng)的單元同時(shí)施加電壓，同時(shí)改變各單元的費(fèi)米能級(jí)，從而調(diào)節(jié)石墨烯柵層2對(duì)所在空間位置載波的吸收能力。所需波形被拆解編輯為電極陣列產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，將產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列施加在石墨烯柵層2各單元的兩端，使石墨烯柵層2的吸收特性在沿微細(xì)光纖1軸向上形成與空間電信號(hào)陣列相同的空間分布，對(duì)載波進(jìn)行可調(diào)的多位置同時(shí)吸收。石墨烯超短的載流子弛豫時(shí)間使各個(gè)位置載波被吸收形成的波形具有三個(gè)特點(diǎn)：微米級(jí)寬度，幅度可由其位置處電信號(hào)控制，形狀非常接近矩形。石墨烯柵層2各個(gè)位置經(jīng)吸收的載波的波形按空間順序組合形成波包，即產(chǎn)生了所需的波形。微細(xì)光纖1軸方向大尺寸的石墨烯柵層2可以在同一時(shí)間點(diǎn)加載大空間長(zhǎng)度的所需波形，降低了所需的電極陣列所加電壓的變化速度，從而以很低的控制速度實(shí)現(xiàn)任意波形的形成。

本發(fā)明具體有益效果：

(1)本發(fā)明可以產(chǎn)生無(wú)限定范圍的任意波形。

(2)本發(fā)明產(chǎn)生的任意波形具有極高的精度，所需波形由各位置經(jīng)吸收的載波波形組成，其長(zhǎng)度為百微米量級(jí)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度為幾十飛秒量級(jí)。

(3)空間電信號(hào)陣列和空間信息加載方式相組合，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)加載方式，使大量信息可以在同一時(shí)刻加載，降低了實(shí)際加載控制的速率，解決了單點(diǎn)加載時(shí)超快信號(hào)源難以獲得的問(wèn)題。

(4)本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)易于制作，可以精確控制各個(gè)低速吸收位置波形的組合。

(5)本發(fā)明對(duì)使用環(huán)境不敏感。

(6)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，極低的輸入、輸出耦合損耗；載波在光纖中以基模傳輸，傳輸損耗極低。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2實(shí)施例一中所需產(chǎn)生的波形。

圖3實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)31、41所加電信號(hào)。

圖4實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)32、42所加電信號(hào)。

圖5實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)33、43所加電信號(hào)。

圖6實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)34、44所加電信號(hào)。

圖7實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)35、45所加電信號(hào)。

圖8實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)36、46所加電信號(hào)。

圖9實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)37、47所加電信號(hào)。

圖10實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)38、48所加電信號(hào)。

圖11實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)39、49所加電信號(hào)。

圖12實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)310、410所加電信號(hào)。

圖13實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)311、411所加電信號(hào)。

圖14實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)312、412所加電信號(hào)。

圖15實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)313、413所加電信號(hào)。

圖16實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)314、414所加電信號(hào)。

圖17實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)315、415所加電信號(hào)。

圖18實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)316、416所加電信號(hào)。

圖19實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)317、417所加電信號(hào)。

圖20實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)318、418所加電信號(hào)。

圖21實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)319、419所加電信號(hào)。

圖22實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)320、420所加電信號(hào)。

圖23實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)321、421所加電信號(hào)。

圖24實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)322、422所加電信號(hào)。

圖25實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)323、423所加電信號(hào)。

圖26實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)324、424所加電信號(hào)。

圖27實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)325、425所加電信號(hào)。

圖28實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)326、426所加電信號(hào)。

圖29實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)327、427所加電信號(hào)。

圖30實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)328、428所加電信號(hào)。

圖31實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)329、429所加電信號(hào)。

圖32實(shí)施例一中正負(fù)電極對(duì)330、430所加電信號(hào)。

圖33實(shí)施例一中實(shí)際產(chǎn)生的波形。

圖34實(shí)施例二中所需產(chǎn)生的波形。

圖35實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)電信號(hào)。

圖36實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)電信號(hào)。

圖37實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)電信號(hào)。

圖38實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)電信號(hào)。

圖39實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)電信號(hào)。

圖40實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)電信號(hào)。

圖41實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)電信號(hào)。

圖42實(shí)施例二中正負(fù)電極對(duì)(38,48)、(316,416)電信號(hào)。

圖43實(shí)施例二中實(shí)際產(chǎn)生的波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器作進(jìn)一步描述。

基于石墨烯柵層微細(xì)光纖的電光任意波形發(fā)生器，包括：微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3、負(fù)電極陣列4和平板基底5；

所述石墨烯柵層2置于平板基底5上，所述微細(xì)光纖1置于石墨烯柵層2上；

所述正電極陣列3包括多個(gè)正電極，所述負(fù)電極陣列4包括多個(gè)負(fù)電極；

所述正電極陣列3的各正電極與負(fù)電極陣列4的各負(fù)電極分別連接于石墨烯柵層2各單元的兩端。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細(xì)光纖1的直徑為1-20μm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2的層數(shù)小于10。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2各單元的長(zhǎng)度為20-500μm，相鄰單元間距為100-3000μm，單元數(shù)為30。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯柵層2的空間周期在微米量級(jí)，所述空間周期為兩條相鄰石墨烯帶的間距。

實(shí)施例一：

該任意波形發(fā)生器包括微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3(正電極31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、負(fù)電極陣列4(負(fù)電極41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5(圖1)。組合方式為：石墨烯柵層2置于平板基底5之上，微細(xì)光纖1置于石墨烯柵層2上。微細(xì)光纖1直徑為8μm，石墨烯柵層2單元長(zhǎng)度為300μm，相鄰單元間距為280μm，單元數(shù)30，整個(gè)平板基底5尺寸為18mm×1mm。所用石墨烯柵層2層數(shù)為1。載波從微細(xì)光纖1一端通入，在另一端檢測(cè)產(chǎn)生的波形。將所需波形(如圖2)編輯為隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，體現(xiàn)在各個(gè)正負(fù)電極對(duì)上電信號(hào)，分別如圖3到圖32所示，施加在各正負(fù)電極對(duì)對(duì)應(yīng)的石墨烯柵層2單元上，在微細(xì)光纖1輸出端可得到發(fā)生的波形(圖33)。

實(shí)施例二：

該任意波形發(fā)生器包括微細(xì)光纖1、石墨烯柵層2、正電極陣列3(正電極31、32、33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、313、315、316、317、318、319、320、321、322、323、324、325、326、327、328、329、330)、負(fù)電極陣列4(負(fù)電極41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、412、413、414、415、416、417、418、419、420、421、422、423、424、425、426、427、428、429、430)、平板基底5(圖1)。組合方式為：石墨烯柵層2置于平板基底5之上，微細(xì)光纖1置于石墨烯柵層2上。微細(xì)光纖1直徑為5μm，石墨烯柵層2單元長(zhǎng)度為120μm，相鄰單元間距為110μm，單元數(shù)30，整個(gè)平板基底5尺寸為7mm×1mm。所用石墨烯柵層2層數(shù)為4。載波從微細(xì)光纖1一端通入，在另一端檢測(cè)產(chǎn)生的波形。將所需波形(如圖34)編輯為隨時(shí)間變化的空間電信號(hào)陣列，體現(xiàn)在各個(gè)正負(fù)電極對(duì)上電信號(hào)，正負(fù)電極對(duì)(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)電信號(hào)如圖35所示，正負(fù)電極對(duì)(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)電信號(hào)如圖36所示，正負(fù)電極對(duì)(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)電信號(hào)如圖37所示，正負(fù)電極對(duì)(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)電信號(hào)如圖38所示，正負(fù)電極對(duì)(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)電信號(hào)如圖39所示，正負(fù)電極對(duì)(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)電信號(hào)如圖40所示，正負(fù)電極對(duì)(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)電信號(hào)如圖41所示，正負(fù)電極對(duì)(38,48)、(316,416)電信號(hào)如圖42所示，施加在各正負(fù)電極對(duì)對(duì)應(yīng)的石墨烯柵層2單元上，在微細(xì)光纖1輸出端可得到發(fā)生的波形(圖43)。

本說(shuō)明書(shū)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)。