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微細光纖的超高速信號發(fā)生器。

背景技術(shù)：

電光/光電轉(zhuǎn)換是制約高速通信系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，采用全光控制方法可以有效地繞過電子器件在超高頻下的寄生電容效應(yīng)(電子瓶頸)，提高通信速度。同時，全光控制方法在光邏輯計算上還有著其他手段無法替代的作用。

OTDM(光時分復(fù)用技術(shù))采用延時技術(shù)將低速的光信號進行延時后復(fù)用而形成超高速光信號,可以實現(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)?，F(xiàn)有的光時分復(fù)用技術(shù)都要依賴于超短脈沖光源，光脈沖的寬度和重復(fù)頻率決定了通信系統(tǒng)最大復(fù)用速率。連續(xù)光源加級聯(lián)電吸收調(diào)制器得到的脈沖寬度大約為3ps,對于速度在100Gb/s以上通信系統(tǒng)過寬；鎖模光纖激光器采用諧波鎖模時穩(wěn)定性差，采用閉環(huán)誤差信號反饋控制腔長的方法,可以實現(xiàn)鎖模光纖激光器的長期穩(wěn)定運轉(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、器件壽命不如前兩種光源并且目前價格過高。為了提供足夠時延，現(xiàn)有的OTDM復(fù)用器的每個臂上采用長光纖,消除干涉現(xiàn)象造成的時延擾動,但是環(huán)境溫度變化會改變延時特性，該種設(shè)計不具有長期的穩(wěn)定性。而全偏振型光時分復(fù)用器價格昂貴,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要配備可變時延線、可變衰減器和偏振控制器等裝置。另外，這種分臂結(jié)構(gòu)的延時器對于制作有很高的精度要求，不易實現(xiàn)，而且對外界環(huán)境擾動也很敏感。

采用基于連續(xù)光源加更快響應(yīng)時間的級聯(lián)電吸收調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，是簡易、廉價產(chǎn)生高穩(wěn)定超高速信號的更佳手段。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程等)。基于這些特性的光調(diào)制器、超快鎖模激光器、光電探測器、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)被實驗演示或商品化。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)制器無法比擬的優(yōu)勢，同時也兼顧集成性、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現(xiàn)石墨烯電光調(diào)制以來，大量石墨烯電光調(diào)制器的仿真計算和實驗被報道，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)制器后，Grigorenko A N和新加坡國立大學(xué)的團隊于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)吸收實現(xiàn)調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡單，兼容CMOS(互補金屬氧化物半導(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)控石墨烯的費米能級改變對光的吸收特性實現(xiàn)光調(diào)制，在調(diào)制速率(仿真計算)、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RC低通濾波器(3dB電信號截止頻率f＝1/2πRC，電子瓶頸)，使實驗中最高的調(diào)制速率無法突破1GHz量級，遠低于仿真計算的結(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)合使調(diào)制器借助光纖的優(yōu)點：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、種類多樣，利于與石墨烯結(jié)合設(shè)計出各種性能優(yōu)良的調(diào)制器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器。石墨烯層覆蓋于平板基底上，微細光纖放置在石墨烯層上作為基本波導(dǎo)。低速泵浦光通過掩膜板產(chǎn)生衍射條紋照射在石墨烯層上，通過飽和吸收原理調(diào)節(jié)石墨烯在不同位置對載波的吸收特性(亮條紋處不吸收，暗條紋處吸收)。細密的泵浦光衍射條紋可以使石墨烯在空間上對載波進行周期性的吸收，在載波上形成脈寬極短、重復(fù)頻率極高的脈沖序列，實現(xiàn)超高速信號的效果。相比于傳統(tǒng)的分臂延時結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)制作簡易、廉價，對使用環(huán)境也不敏感。基于石墨烯的超快載流子響應(yīng)時間，該信號發(fā)生器可以產(chǎn)生450Gb/s的超高速光信號。相比于已有的單點位置信號發(fā)生器，隨著泵浦光衍射條紋范圍的擴大，泵浦光強度的變化速度可以無限減小，基于極低的控制速度可以產(chǎn)生超高速光信號。

為達到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器，包括：平板基底、石墨烯層、微細光纖、泵浦光源和掩膜板；

所述石墨烯層置于平板基底之上，所述微細光纖以盤繞的形式置于石墨烯層的上面，所述掩膜板位于石墨烯層的上方，所述泵浦光源設(shè)置于掩膜板的上方；

所述泵浦光源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過掩膜板產(chǎn)生衍射條紋，所述衍射條紋照射于石墨烯層上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯層的厚度小于3.35nm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細光纖的直徑為1-20μm，微細光纖的彎曲半徑應(yīng)當(dāng)避免彎曲損耗。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細光纖盤繞的平行間距為1mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述衍射條紋間距大于0.6mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源產(chǎn)生的泵浦光強度可以調(diào)節(jié)。

該光信號發(fā)生器經(jīng)過上述設(shè)置，通過調(diào)節(jié)泵浦光強度，產(chǎn)生超高速光信號。

本發(fā)明的工作原理：

微細光纖具有強烈的倏逝場，將載波擴散到石墨烯層中與其相互作用。通過調(diào)節(jié)泵浦光的強度，利用石墨烯材料的飽和吸收特性，改變石墨烯對微細光纖中載波的吸收。泵浦光經(jīng)過掩膜板會在石墨烯層上形成衍射條紋，亮條紋處石墨烯對載波不吸收，暗條紋處石墨烯吸收載波，對照衍射條紋，石墨烯層在空間上形成對載波的周期性吸收。由于衍射條紋很細密，微細光纖中可以形成脈寬很窄、重復(fù)頻率很高的脈沖序列，實現(xiàn)超高速光信號的效果。隨著衍射條紋面積的增加，泵浦光強度變化的速度可以無限降低。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)用空間調(diào)制的方式，以很低的調(diào)制速度實現(xiàn)了超快調(diào)制的效果。

(2)信號發(fā)生器的串聯(lián)結(jié)構(gòu)易于制作，可以對序列中的各個脈沖進行精確控制。

(3)該信號發(fā)生器對使用環(huán)境不敏感。

(4)全光調(diào)制，無需復(fù)雜的電極設(shè)計和制作，同時繞開電子瓶頸對調(diào)制速度的限制。

(5)石墨烯作為調(diào)制材料，具有超短響應(yīng)時間、超寬波長調(diào)制范圍、低功耗和高面積效率的優(yōu)勢。

(6)微細光纖作為基本波導(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。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2實例一中的泵浦光隨時間變化示意圖。

圖3實例二中的泵浦光隨時間變化示意圖。

圖4實例一中產(chǎn)生的超高速光信號示意圖。

圖5實例二中產(chǎn)生的超高速光信號示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1至5對基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器作進一步描述。

一種基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器，包括：平板基底3、石墨烯層2、微細光纖1、泵浦光源4和掩膜板5；

所述石墨烯層2置于平板基底3之上，所述微細光纖1以盤繞的形式置于石墨烯層2的上面，所述掩膜板5位于石墨烯層2的上方，所述泵浦光源4設(shè)置于掩膜板5的上方；

所述泵浦光源4產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過掩膜板5產(chǎn)生衍射條紋，所述衍射條紋照射于石墨烯層2上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述石墨烯層2的厚度小于3.35nm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細光纖1的直徑為1-20μm，微細光纖1的彎曲半徑應(yīng)當(dāng)避免彎曲損耗。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述微細光纖1盤繞的平行間距為1mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述衍射條紋間距大于0.6mm。

在上述方案的基礎(chǔ)上，所述泵浦光源4產(chǎn)生的泵浦光強度可以調(diào)節(jié)。

該光信號發(fā)生器經(jīng)過上述設(shè)置，通過調(diào)節(jié)泵浦光強度，產(chǎn)生超高速光信號。

實施例一：

基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器，其特征在于：該結(jié)構(gòu)包括微細光纖1、石墨烯層2、平板基底3、泵浦光源4和掩膜板5。

具體組合方式為：石墨烯層2置于平板基底3之上，微細光纖1以盤繞的方式置于石墨烯層2上，泵浦光源4產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過掩膜板5產(chǎn)生衍射條紋照射于石墨烯層2上，改變泵浦光的強度調(diào)節(jié)石墨烯層2對載波的吸收特性，產(chǎn)生超高速光信號。

石墨烯層2的厚度小于3.35nm。

微細光纖1的直徑為1μm，微細光纖1盤繞的平行間距1mm，總長37mm。

產(chǎn)生的泵浦光衍射條紋間距1mm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖2調(diào)節(jié)泵浦光強度，僅需10Ghz的調(diào)制速度，產(chǎn)生超高速光信號(圖4)，該信號速度為360Gb/s，脈寬為3ps。

實施例二：

基于石墨烯微細光纖的超高速光信號發(fā)生器，其特征在于：該結(jié)構(gòu)包括微細光纖1、石墨烯層2、平板基底3、泵浦光源4和掩膜板5。

具體組合方式為：石墨烯層2置于平板基底3之上，微細光纖1以盤繞的方式置于石墨烯層2上，泵浦光源4產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過掩膜板5產(chǎn)生衍射條紋照射于石墨烯層2上，改變泵浦光的強度調(diào)節(jié)石墨烯層2對載波的吸收特性，產(chǎn)生超高速光信號。

石墨烯層2的厚度小于3.35nm。

微細光纖1的直徑為1μm，微細光纖1盤繞的平行間距1mm，總長37mm。

產(chǎn)生的泵浦光衍射條紋間距1mm。

經(jīng)過上述設(shè)置，按照圖3調(diào)節(jié)泵浦光強度，僅需10Ghz的調(diào)制速度，產(chǎn)生超高速光信號(圖5)，該信號速度為360Gb/s，脈寬為1.5ps。

本說明書中未作詳細描述的內(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)。