全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯電吸收調(diào)制器

周　鋒，金曉峰

(1.浙江傳媒學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

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全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯電吸收調(diào)制器

周鋒1*，金曉峰2

(1.浙江傳媒學(xué)院 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

利用石墨烯優(yōu)越的光學(xué)性能，構(gòu)建了基于全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯電吸收調(diào)制器。設(shè)計(jì)了調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)雙重研究。首先，根據(jù)石墨烯的光學(xué)可調(diào)特性研究了其化學(xué)勢(shì)和介電常數(shù)之間的關(guān)系。接著，基于全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了石墨烯電吸收調(diào)制器，并分析了它的整體有效折射率和化學(xué)勢(shì)的變化關(guān)系。對(duì)提出的光纖石墨烯調(diào)制器進(jìn)行仿真分析，并與傳統(tǒng)半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯調(diào)制器。對(duì)實(shí)現(xiàn)的調(diào)制器進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試。結(jié)果顯示：仿真的四層石墨烯的全光纖電吸收調(diào)制器的調(diào)制效率可以達(dá)到0.233 dB/mm，在12.9 mm的長(zhǎng)度上可實(shí)現(xiàn)0.2 V的擺動(dòng)電壓。實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了提出的全光纖石墨烯調(diào)制器的可行性；但受實(shí)驗(yàn)條件的限制，其半波電壓約為120 V， 3 dB調(diào)制器帶寬為100 MHz。與傳統(tǒng)石墨烯波導(dǎo)調(diào)制器相比，提出的調(diào)制器顯示了半波電壓小，調(diào)制效率高，尺寸小，同時(shí)具有低的插入損耗低等優(yōu)勢(shì)，適合在未來全光纖RoF系統(tǒng)應(yīng)用。

電吸收調(diào)制器；石墨烯；光與物質(zhì)相互作用；全光纖結(jié)構(gòu)

1　引　言

目前，調(diào)制器在光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。一般而言，光通信系統(tǒng)中基于電折射率原理的強(qiáng)度調(diào)制器和電吸收調(diào)制器是使用最為廣泛的兩種調(diào)制器。與基于電折射率原理的電光調(diào)制器相比，電吸收調(diào)制器的半波電壓更低，調(diào)制效率更高，更易與激光器集成[4]。然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器的尺寸往往在幾百微米到數(shù)毫米之間，較大的尺寸不利于它在未來光電集成中的應(yīng)用，同時(shí)，半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器還存在帶寬不夠大、光傳輸損耗和耦合損耗較大、啁啾嚴(yán)重和受外界環(huán)境影響較大等諸多問題[5]。為了解決突破這些瓶頸，進(jìn)一步提高電吸收調(diào)制器的性能，近些年人們提出了石墨烯電吸收調(diào)制器等相關(guān)器件[6-11]。由于石墨烯和光的強(qiáng)作用能力，尺寸僅有25平方微米的石墨烯電吸收調(diào)制器在實(shí)驗(yàn)上得到了驗(yàn)證[10]。與傳統(tǒng)的調(diào)制器相比，石墨烯調(diào)制器具有更小的尺寸，更寬的調(diào)制帶寬，更少的光傳輸損耗，并且受外界溫度的影響較小。此外，通過增加石墨烯的層數(shù)可以增加石墨烯和光之間的相互作用，從而進(jìn)一步提高調(diào)制器的電吸收特性，縮小調(diào)制器的尺寸和獲得更好的調(diào)制特性。然而，目前石墨烯調(diào)制器主要都是基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的，因此不可避免地引入了較大的耦合損耗和加工難度，這些都會(huì)限制它在實(shí)際光纖系統(tǒng)中的應(yīng)用。將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變成全光纖結(jié)構(gòu)有益于解決上述問題，不過，纖芯外圍覆蓋著較厚的包層會(huì)大大降低光和物質(zhì)的相互作用[12-15]。綜上可知，將石墨烯應(yīng)用在全光纖結(jié)構(gòu)上不僅可以降低耦合損耗，還可以利用石墨烯和光的相互作用實(shí)現(xiàn)電吸收調(diào)制。

本文提出了一種基于石墨烯的全光纖結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制器，采用側(cè)面研磨拋光工藝去除光纖包層，通過研磨和拋光光纖表面，不同于一般 D型光纖的結(jié)構(gòu)，采用滾圓研磨可以產(chǎn)生光纖芯層研磨區(qū)的漸變凹面過渡結(jié)構(gòu)，這樣有利于降低光纖插入損耗與回波。四層石墨烯被轉(zhuǎn)移到纖芯表面以增加光和石墨烯的作用。仿真結(jié)果顯示，該調(diào)制器具有較高的調(diào)制效率(0.223 dB/μm)，較小的控制電壓(1 V以下)和較小的尺寸(12.9 μm)。實(shí)驗(yàn)上初步實(shí)現(xiàn)了該全光纖石墨烯調(diào)制器，受實(shí)驗(yàn)調(diào)制的限制，目前暫時(shí)實(shí)現(xiàn)了半波電壓約為120 V， 3 dB調(diào)制器帶寬為100 MHz的調(diào)制器?？偟膩碚f，全光纖結(jié)構(gòu)的石墨烯電吸收調(diào)制器在未來的全光纖通信中有著巨大的潛力。

2　　　　全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器構(gòu)成

及其工作原理

2.1石墨烯的光學(xué)特性

石墨烯作為一種由單層碳原子組成的二維材料，具有非常優(yōu)越的光學(xué)特性。關(guān)于石墨烯電導(dǎo)率和介電常數(shù)的計(jì)算，已經(jīng)有很多較為深入的研究，現(xiàn)在比較常用和認(rèn)可的是Kubo公式[16]：

σ(ω，μc，Γ，T)=σintra+σinter，

(1)

(2)

其中：e是電子的電量，Γ為散射率，T表示溫度，?表示約化普朗克常數(shù)，fd(E)為費(fèi)米-狄拉克分布。根據(jù)Kubo公式，使用仿真工具M(jìn)ATLAB對(duì)石墨烯的電導(dǎo)率和介電常數(shù)進(jìn)行仿真。圖1(a) 為在1 550 nm波長(zhǎng)下石墨烯的電導(dǎo)率隨著化學(xué)勢(shì)的變化曲線，化學(xué)勢(shì)為0～1 eV。由圖中可以看出，石墨烯的電導(dǎo)率實(shí)部在0～0.4 eV幾乎沒有變化，之后隨著化學(xué)勢(shì)的增加而下降，在0.6 eV 之后趨于穩(wěn)定；而電導(dǎo)率的虛部則在開始隨著化學(xué)勢(shì)的增加而下降，在化學(xué)勢(shì)為0.4 eV時(shí)達(dá)到最小值，之后隨著化學(xué)勢(shì)的增加而上升。圖1(b)為石墨烯的介電常數(shù)隨著化學(xué)勢(shì)的變化曲線，介電常數(shù)實(shí)部和電導(dǎo)率虛部的變化趨勢(shì)是相反的，一開始隨著化學(xué)勢(shì)的增加，介電常數(shù)不斷增加，在化學(xué)勢(shì)為0.4 eV時(shí)達(dá)到最大值，之后在0.4～1 eV隨著化學(xué)勢(shì)的增加而減小。特別的是，石墨烯的介電常數(shù)實(shí)部在下降區(qū)間會(huì)經(jīng)歷由正到負(fù)的變化，這表明石墨烯開始由介質(zhì)特性向金屬特性轉(zhuǎn)變，這種特殊的可調(diào)性是其他材料所沒有的，因此這也是石墨烯作為可調(diào)材料的一大優(yōu)勢(shì)。而介電常數(shù)虛部則和電導(dǎo)率實(shí)部的變化趨勢(shì)是一致的，一開始隨著化學(xué)勢(shì)的增加，在0～0.4 eV幾乎沒有變化，之后開始隨著化學(xué)勢(shì)的增加而減小，但在化學(xué)勢(shì)為0.6 eV的時(shí)候達(dá)到穩(wěn)定。需要注意的是，這里石墨烯是一種各向異性的材料。因此，介電常數(shù)在與石墨烯平面垂直的方向被設(shè)置為固定常數(shù)，如圖1(b)的黑線所示。參考石墨，該值為2.5[16]。

(a)石墨烯電導(dǎo)率隨化學(xué)勢(shì)的變化圖

(b)各向異性下石墨烯介電常數(shù)隨化學(xué)勢(shì)的變化圖

2.2全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器結(jié)構(gòu)

本文提出的全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器的原理如圖2所示。在二氧化硅的基底上放置一段光纖，將光纖的一段包層剝除，在垂直于光纖長(zhǎng)度方向采用滾圓研磨至纖芯的位置。首先在凹面過渡區(qū)轉(zhuǎn)移底層石墨烯，之后在底層石墨烯層上制備一薄層Al2O3過渡層，最后在Al2O3過渡層上制備頂層石墨烯，電極分別放置在底層石墨烯和頂層石墨烯上。由于光纖纖芯的折射率大約為1.45，而石墨烯材料的有效折射率隨費(fèi)密能級(jí)的狀態(tài)具有很大的動(dòng)態(tài)可調(diào)性，所以引入折射率大約為1.76的Al2O3過渡有利于穩(wěn)定光學(xué)模場(chǎng)的分布。同時(shí)由于Al2O3的附著力和傳熱性與光纖纖芯和石墨烯層匹配得較好，因此有利于增加復(fù)合膜層的強(qiáng)度與性能。

(a)結(jié)構(gòu)圖

(b)中間區(qū)域的剖面圖

3　仿真結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖2提出的仿真結(jié)構(gòu)，光在光纖中傳輸時(shí)，由于側(cè)面研磨光纖的漸變性，部分光和石墨烯發(fā)生了較為強(qiáng)烈的作用。利用仿真軟件Comsol建立了全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器的模型，并進(jìn)行了計(jì)算和分析。調(diào)制器的有效折射率隨化學(xué)勢(shì)的變化如圖3所示，藍(lán)線和紅線分別表示有效折射率的實(shí)部和虛部隨化學(xué)勢(shì)的變化趨勢(shì)(彩圖見期刊電子版)。由于有效折射率虛部反映的是損耗系數(shù)，兩者的關(guān)系可以表示為：

(3)

由式(3)可知，損耗系數(shù)和有效折射率的虛部成線性正比關(guān)系，而有效折射率的虛部和石墨烯介電常數(shù)的虛部呈線性正比的關(guān)系，因此可以推導(dǎo)出損耗系數(shù)和介電常數(shù)之間存在的線性正比關(guān)系。也就是說可以通過直接調(diào)節(jié)石墨烯的有效介電常數(shù)來改變損耗值。由圖3可以看出，有效折射率虛部的最大值和最小值相差很大，由計(jì)算可知最大值和最小值相差48倍之多。這樣一個(gè)巨大的差值有利于設(shè)計(jì)一個(gè)具有高調(diào)制深度、小尺寸的電吸收調(diào)制器。

圖3　　　　有效折射率的實(shí)部和虛部隨化學(xué)勢(shì)的變化圖(插圖為TE模式下的電場(chǎng))

Fig.3Real and imaginary part of effective mode index under different graphene’s chemical potentials. The inset shows electric field profile for TE mode

為了進(jìn)一步揭示石墨烯調(diào)制器的作用機(jī)理，本文研究了多層石墨烯對(duì)調(diào)制器性能的影響。隨著石墨烯層中能量的增大，有效折射率的虛部也會(huì)增加，因此通過施加多層石墨烯可以有效地加大有效折射率虛部的變化。為了研究多層石墨烯是如何增加吸收效率的，圖4給出了1～4層石墨烯在化學(xué)勢(shì)為0～1 eV情況下的損耗系數(shù)。由圖4可以看出，4條曲線的形狀基本一致，插圖表示損耗系數(shù)隨著石墨烯層數(shù)的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)兩者呈線性關(guān)系。其中1～4層石墨烯對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)分別為0.06，0.12，0.18和0.24 dB/μm，這表明要實(shí)現(xiàn)同樣的消光比，4層石墨烯結(jié)構(gòu)的調(diào)制器所需的長(zhǎng)度僅約為單層石墨烯結(jié)構(gòu)調(diào)制器的四分之一。因此采用多層石墨烯結(jié)構(gòu)有助于增加吸收效率，提高調(diào)制效率，減小半波電壓并實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，從而進(jìn)一步提高調(diào)制器的性能。

二是堅(jiān)持示范引路抓點(diǎn)帶面打開工作新局面。鎮(zhèn)街人大工作存在的困難和不足，既有歷史原因，也有基層工作實(shí)情。鑒于目前現(xiàn)狀，示范引路抓點(diǎn)帶面是現(xiàn)實(shí)路徑，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)位，選取試點(diǎn)單位先行開展。

圖4多層石墨烯損耗隨化學(xué)勢(shì)的變化圖(插圖為石墨烯層數(shù)與最大損耗間的關(guān)系)

Fig.4Attenuation versus chemical potentials under different graphene layers. Inset shows linear relationship between number of graphene layer and maximum attenuation

由圖4可以看出，在化學(xué)勢(shì)為0～0.2 eV時(shí)，調(diào)制器的損耗系數(shù)最大，也就是說經(jīng)歷相同的長(zhǎng)度，調(diào)制器的損耗最大，可以認(rèn)為此時(shí)調(diào)制器工作在OFF狀態(tài)；而當(dāng)化學(xué)勢(shì)選取在0.6～1 eV時(shí)，調(diào)制器的損耗較小，可認(rèn)為此時(shí)調(diào)制器工作在ON狀態(tài)。舉例來說，當(dāng)調(diào)制器工作在0 eV(OFF)時(shí)，損耗系數(shù)為0.238 dB/μm；而當(dāng)調(diào)制器工作在0.7 eV(ON)時(shí)，損耗系數(shù)為0.005 dB/μm。因此，如果想實(shí)現(xiàn)3 dB的損耗，只需要最小12.9 μm 的調(diào)制長(zhǎng)度，同時(shí)也意味著調(diào)制深度最大可以達(dá)到0.233 dB/μm。

化學(xué)勢(shì)和外加電壓的關(guān)系如下[8]：

(4)

其中：VDirac是由石墨烯自然參雜造成的補(bǔ)償電壓；為了簡(jiǎn)化公式，vF=3×106m/s表示費(fèi)米速度。根據(jù)平行板電容器的模型計(jì)算得到：η=9×1016m-2V-1，另外由于VDirac是一個(gè)定值，因此可以把|(Vg-VDirac)|當(dāng)成是外加偏置電壓。根據(jù)式(4)繪制出不同化學(xué)勢(shì)下的偏壓曲線，如圖5所示。與傳統(tǒng)調(diào)制器相比，本文提出的全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器只需要很小的偏置電壓就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制效果；因此調(diào)制器的功耗很小，而且通過直接調(diào)節(jié)外加偏置電壓便可以靈活控制該調(diào)制器的損耗變化。

圖5　化學(xué)勢(shì)和偏壓曲線關(guān)系示意圖

Fig.5Relationship between driving voltage and chemical potential for proposed modulator

該全光纖石墨烯吸收調(diào)制器另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)之間的擺動(dòng)電壓特別小，在高速的光調(diào)制系統(tǒng)中，小的擺動(dòng)電壓不僅能夠降低成本，而且可以減小功耗。由于調(diào)制器的消光比參數(shù)和傳播長(zhǎng)度是呈線性正比的關(guān)系，為了更好地和傳統(tǒng)的電吸收調(diào)制器進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)兩者的長(zhǎng)度都為120 μm。由圖5可以看出，提出的電吸收調(diào)制器在偏置電壓為0～0.1 V時(shí)，可以看成是關(guān)閉狀態(tài)；而在電壓為0.2～0.5 V時(shí)，可以看成是開的狀態(tài)。四層石墨烯全光纖電吸收調(diào)制器的傳遞函數(shù)示意圖如圖6所示，傳統(tǒng)的商用半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器由圖6的藍(lán)色點(diǎn)線表示?？梢钥闯觯饫w石墨烯吸收調(diào)制器在0.2 V的電壓變化中(偏壓為0.05～0.25 V)，可以實(shí)現(xiàn)大約27 dB 的消光比，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器的消光比大約在20 dB左右；而且通過調(diào)節(jié)偏壓從0～0.5 V，傳統(tǒng)電吸收調(diào)制器的消光比只有不到1 dB的變化，所有的點(diǎn)都工作在開的狀態(tài)。因此相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器，全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器的偏置電壓更小，具有更高的開關(guān)消光比和更低的擺動(dòng)電壓，這能極大程度地提高電光轉(zhuǎn)換效率。利用這個(gè)特性，該調(diào)制器更適合實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)式的調(diào)制，在未來的數(shù)字光通信中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖6基于全光纖石墨烯的電吸收調(diào)制器的傳遞函數(shù)示意圖

Fig.6Transmission curves versus bias/reverse bias voltage from 0 V to 0.5 V for all-fiber graphene-based EA modulator and a typical EA modulator

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

這里根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了基于石墨烯的全光纖調(diào)制器實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)仿真模型進(jìn)行了修改和優(yōu)化，使之更適合實(shí)驗(yàn)加工和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器和仿真結(jié)構(gòu)有著一定的不同，具體而言，由于仿真條件的限制，光纖仿真模型的包層直徑為10 μm，纖芯直徑為2 μm，而實(shí)際加工中采用標(biāo)準(zhǔn)125 μm直徑的單模光纖。經(jīng)過計(jì)算，兩種模型的模場(chǎng)分析結(jié)果十分近似，差異很?。涣硗?，仿真模型中，采用Al2O3和石墨烯組成復(fù)合層來穩(wěn)定光模場(chǎng)，但是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，采用了石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管(Graphene Field Effect Tube，GFET)結(jié)構(gòu)，先轉(zhuǎn)移石墨烯層再覆蓋一層絕緣層，而測(cè)試證明Al2O3作為絕緣層并不適合該結(jié)構(gòu)，因此實(shí)驗(yàn)采用高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)作為替代。兩種材料的光學(xué)性質(zhì)和厚度不同，形成的GFET結(jié)構(gòu)和仿真模型也存在著一定的差異。相對(duì)于PVDF而言，Al2O3的折射率更高，更有利于穩(wěn)定光學(xué)模場(chǎng)，然而，PVDF的絕緣性能良好且厚度均勻，因此，最終選用高分子材料PVDF作為替代絕緣層。圖7所示為實(shí)驗(yàn)樣品。

圖7　調(diào)制器樣品圖

4.1電學(xué)特性曲線測(cè)試

樣品準(zhǔn)備好后，首先進(jìn)行了石墨烯電學(xué)性能的測(cè)量。將樣品放在探針臺(tái)上，兩個(gè)探針分別接在石墨烯導(dǎo)電溝道的兩端，即源極和漏極，兩極之間電壓不能加得過大，過大的源漏電壓會(huì)破壞石墨烯的導(dǎo)電溝道。實(shí)驗(yàn)測(cè)得石墨烯的電阻為500 Ω，同時(shí)檢驗(yàn)絕緣層的絕緣性，測(cè)得絕緣層的絕緣性能良好。之后對(duì)樣品的三端口進(jìn)行測(cè)試，為了保證絕緣層不會(huì)被擊穿，實(shí)驗(yàn)中緩慢增加?xùn)艠O的電壓。隨著源極和漏極之間的電壓增加，源漏之間的電流也隨著增大，而通過調(diào)節(jié)柵極的電壓，不同柵極電壓下的I-V曲線也是不同的。圖9所示為器件三端口的直流測(cè)試圖。由圖9可以看出，隨著柵極電壓從-40 V到40 V的變化，源漏之間的I-V特性曲線也發(fā)生了變化，這表明了電域上調(diào)制的變化。

圖9　器件三端口直流測(cè)試圖

4.2石墨烯電吸收調(diào)制器性能分析

全光纖石墨烯調(diào)制器的電光調(diào)制性能驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)原理如圖10所示。激光器輸出通過光放大器EDFA(20 dB放大增益)放大后獲得10 dBm的輸出光功率，通過偏振控制器PC注入到石墨烯全光纖調(diào)制器中。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，石墨烯全光纖調(diào)制器的插入損耗僅有1.5 dB，大大優(yōu)于傳統(tǒng)波導(dǎo)石墨烯調(diào)制器的高插入損耗，也明顯低于傳統(tǒng)的鈮酸鋰調(diào)制器、三五族半導(dǎo)體調(diào)制器和聚合物調(diào)制器的插入損耗。射頻信號(hào)和偏置電壓由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，信號(hào)發(fā)生器的頻率為0～120 MHz，通過探針加到石墨烯全光纖調(diào)制器的柵極和源極之間。調(diào)制后的信號(hào)通過光電探測(cè)器PD拍頻輸出得到原始的電信號(hào)，PD的頻率為40～860 MHz，之后通過電放大器放大后由頻譜儀Agilent 8563EC顯示。這樣就構(gòu)成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的RoF(Radio-over-Fiber)系統(tǒng)。進(jìn)入PD的光功率為-10 dBm，經(jīng)過PD拍頻和20 dB的低噪放后在頻譜儀上顯示，其中射頻信號(hào)的大小和頻率可以改變，因此可以通過研究解調(diào)后的信號(hào)來獲得調(diào)制器的一些性能參數(shù)。具體而言，首先選取了0.2，1和6 V的射頻信號(hào)，考慮到PD的解調(diào)范圍和信號(hào)發(fā)生器的頻率范圍，這里選取的頻率為40～120 MHz。

圖10　實(shí)驗(yàn)原理示意圖

以50 MHz射頻調(diào)制信號(hào)為例，通過PD拍頻獲得的信號(hào)如圖11～圖13所示。當(dāng)射頻幅度分別為0.2，1和6 V時(shí)，拍出的信號(hào)分別為-91，-78，-64 dBm，根據(jù)公式換算dB為單位可以得到，1 V和0.2 V相差約14 dB，而6 V和1 V相差約15 dB，與實(shí)際測(cè)得的13 dB和14 dB的差量基本吻合，由此證明了實(shí)驗(yàn)的正確性。此外，將電壓固定在6 V，從40～120 MHz每隔10 MHz 獲取拍頻后的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)拍頻信號(hào)隨著頻率的增大而減小，最大值40 MHz和最小值120 MHz之間的差值為2.8 dB 左右。由此可以估算出調(diào)制器的3 dB調(diào)制帶寬大致在100 MHz左右。

圖11　0.2 V下拍出的50 MHz射頻信號(hào)

圖12　1 V下拍出的50 MHz射頻信號(hào)

圖13　6 V下拍出的50 MHz射頻信號(hào)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單推算調(diào)制器的半波電壓和調(diào)制效率，由文獻(xiàn)[17]可知，對(duì)于一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制和直接解調(diào)(IMDD)的RoF系統(tǒng)來說，半波電壓大概在120 V左右。經(jīng)過計(jì)算得到鏈路的增益約為-50 dB。同樣，如果能夠測(cè)得噪聲系數(shù)，還可以獲得RoF鏈路的其他重要參數(shù)，如鏈路的噪聲系數(shù)，壓縮動(dòng)態(tài)范圍(CDR)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)等。不過，受實(shí)際制作的調(diào)制器電極長(zhǎng)度、表面粗糙度及石墨烯純度等因素的影響，調(diào)制器樣品的半波電壓較大，因此整個(gè)調(diào)制器的效率還不夠高。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，全光纖石墨烯調(diào)制器暫時(shí)只能實(shí)現(xiàn)100 MHz左右的調(diào)制帶寬。最主要是受到RC條件的限制，進(jìn)而限制了整個(gè)器件的調(diào)制帶寬，具體分析可以參考文獻(xiàn)[18]。根據(jù)文中的計(jì)算方法，PVDF絕緣層的厚度大概在1 μm左右，石墨烯的有效面積在10 mm2左右，而電阻在500 Ω左右，估算可得石墨烯調(diào)制器的3 dB帶寬為100 MHz，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的3 dB帶寬基本一致。

實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器的可行性，但是該調(diào)制器尚未達(dá)到其理論性能。因此，在以后的工作中需要優(yōu)化整個(gè)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，以期獲得調(diào)制帶寬更大和調(diào)制效率更高的全光纖石墨烯調(diào)制器。

5　結(jié)　論

本文通過將傳統(tǒng)的石墨烯波導(dǎo)調(diào)制器和全光纖調(diào)制器進(jìn)行結(jié)合，提出了一種新型的全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器。將光纖經(jīng)過滾圓研磨至纖芯的位置，使石墨烯可以直接和纖芯接觸，從而增加光和石墨烯的相互作用。在此基礎(chǔ)上提出了石墨烯電吸收調(diào)制器，并對(duì)這種方案進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。提出的石墨烯調(diào)制器具備良好的性能，其中仿真四層石墨烯結(jié)構(gòu)的電吸收調(diào)制器的調(diào)制深度達(dá)到了0.023 3 dB/μm，僅需12.9 μm的長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)3 dB的消光比，外加電壓則不到1 V。實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了全光纖石墨烯調(diào)制器的可能性，然而受實(shí)驗(yàn)調(diào)制的限制，僅實(shí)現(xiàn)了半波電壓約為120 V， 3 dB調(diào)制器帶寬為100 MHz的調(diào)制器。與傳統(tǒng)石墨烯波導(dǎo)調(diào)制器相比，全光纖石墨烯電吸收調(diào)制器具有半波電壓小、調(diào)制效率高、潛在高調(diào)制帶寬和尺寸小等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼具光纖調(diào)制器插入損耗低的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在未來全光纖RoF系統(tǒng)中。

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周鋒(1988-)，男，安徽黃山人，博士，講師，2010年、2015年于浙江大學(xué)分別獲得學(xué)士、博士學(xué)位，主要從事微波光子學(xué)及新材料方面的研究。E-mail: eddychow1988@126.com

金曉峰(1968-)，男，浙江東陽(yáng)人，博士生導(dǎo)師，教授，1993年于中國(guó)艦船研究院獲得碩士學(xué)位，1996年于浙江大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光通信技術(shù)、微波/毫米波技術(shù)、微波光子技術(shù)和新型傳感與探測(cè)技術(shù)等。E-mail: jinxf00@zju.edu.cn

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All-fiber graphene electro-absorption modulator

ZHOU Feng1*， JIN Xiao-feng2

(1.SchoolofElectronicsandInformation，ZhejiangUniversityofMediaandCommunications，Hangzhou310018，China；2.DepartmentofInformationScience&ElectronicEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China)*Correspondingauthor，E-mail：eddychow1988@126.com

On the excellent optical performance of grapheme， a graphene-based all-fiber electro-absorption modulator was constructed. The structure of the modulator was designed， and simulation and experiments for the modulator were both conducted. Firstly， the relationship between the chemical potential and the permittivity was researched according to the graphene’s optical properties， then the graphene-based all-fiber modulator was designed， and the dependence of the effective refractivity of the modulator on the chemical potential was analyzed. The proposed graphene-based all-fiber electro-absorption modulator was simulated and was compared to traditional semiconductor modulators. Finally， the graphene-based all-fiber electro-absorption modulator was developed and its performance was tested. The simulation results show that the modulation efficiency of the quadri-layer all-fiber graphene modulator reaches up to 0.233 dB/mm， and the footprint has been reduced to only 12.9 mm with the swing voltage lower than 0.2 V. The experiments demonstrate that the proposed modulator is feasibility. Limited by the practical conditions， the tested half-wave voltage is about 120 V and the 3 dB bandwidth is around 100 MHz. As compared with traditional graphene-based waveguide modulator， the proposed modulator shows a smaller half-wave voltage， higher modulation efficiency， and a smaller size. Moreover， it has a lower insert loss and is suitable for all-fiber systems in future.

electro-absorption modulator; graphene; light-matter interaction; all-fiber structure

2016-05-28；

2016-06-27.

國(guó)家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2012CB315703)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61371029)

1004-924X(2016)09-2117-09

TN253；TN761

A

10.3788/OPE.20162409.2117