一种光控太赫兹光纤调制器的制作方法

1.本实用新型涉及太赫兹波调制技术领域，具体涉及一种光控太赫兹光纤调制器。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率范围位于0.1～10thz之间的一段电磁波，它的波长在3mm～30um范围。在电磁波谱中，太赫兹波位于微波与远红外辐射之间。由于微波频率是电子学频率的上限，远红外辐射频率是光学频率的下限，因而也可以说太赫兹波位于电子学和光学波长范围之间。太赫兹科学是跨越了宏观电子学与微观光子学的一门新兴交叉学科，衔接了宏观经典电磁波理论和微观量子理论。由于太赫兹覆盖了包括凝聚态物质和生物大分子在内的各种振动的特征谱线，非常适合于鉴别物质的结构于种类；同时太赫兹波的光子能量较低，不会破坏生物组织，可应用于生物活体检测。正是由于太赫兹波在电磁波谱中位置特殊、性能优越，太赫兹技术在电子、信息、通信、生命、航天、国家安全等研究领域都具有重要的学术价值和巨大的应用前景。
3.在太赫兹技术当中一种重要的技术就是太赫兹振幅调控。太赫兹波想要进一步发展，优异的高速太赫兹调控技术显得尤为重要。太赫兹幅度调制技术可以分为：电控调制技术、光控调制技术、温控调制技术和磁控调制技术等。而光控调制技术可以避免电控技术中的寄生阻抗影响，为实现快速调制提供了新的思路，应用潜力巨大。常规光控石墨烯太赫兹幅度调制器即采用空间光调制方式，在半导体基底上集成石墨烯，太赫兹波和泵浦光(可见光或近红外光)以垂直于石墨烯的方式入射，半导体材料产生光生载流子，进而对太赫兹波吸收，最终实现对太赫兹光的调制。但目前常规石墨烯光控太赫兹光纤调制器具有如下几个问题：(1)太赫兹光和外泵浦光直接垂直照射调制器，需要的光功率较高；(2)垂直入射光与物质相互作用长度短，限制了调制深度的提升；(3)电控方式受到大电阻电容时间常数影响；(4)太赫兹光在自由空间中调制，然而太赫兹光在自由空间中传输会被空气中的水分子强烈吸收，太赫兹波的损耗较高。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种光控太赫兹光纤调制器，以解决传统光控太赫兹光纤调制器调制深度低、调制速度低和自由空间调制致使太赫兹波损耗高的问题。
5.本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
6.一种光控太赫兹光纤调制器，包括：用来传输太赫兹波的太赫兹光纤，太赫兹光纤的侧边设置抛磨区域，侧边设置有抛磨区域的太赫兹光纤端面呈“d”型；抛磨区域上设置光调制结构。
7.优选地，抛磨区域上设置具有微纳结构的超材料，超材料上设置石墨烯，形成作为光调制结构的石墨烯-超材料结构。
8.优选地，超材料为金属材料或者半导体材料，超材料的厚度为100～1000nm。
9.优选地，抛磨区域的深度为30～600um，抛磨区域的长度为5～30mm。
10.优选地，超材料为图形化阵列排列的周期性结构，图形为条带柱、方形柱、圆柱、环形柱的任意一种。
11.优选地，石墨烯为单层或n层，n》1。
12.优选地，太赫兹光纤直径为100～2000um，太赫兹光纤的材料为环烯烃聚合物，太赫兹光纤的中间区域是空气孔。
13.本实用新型相对于现有技术具有如下优点：
14.本实用新型采用侧边抛磨太赫兹光纤结构，能有效降低太赫兹波在自由空间中的损耗，增大石墨烯与太赫兹波倏逝场的接触面积，提高了调制效率。泵浦光照射时，微纳米结构将泵浦光耦合进入超材料中，其局域电场增强效应能够有效激发超材料中的光生载流子，大量光生载流子扩散进入石墨烯中，使得石墨烯费米能级提高从而增强调制效果，本实用新型采用石墨烯作为调制媒介物质可有效提高太赫兹调制器的调制特性。在太赫兹波段，采用超材料制备的纳米周期性结构具有高谐振因子。谐振增强使得超材料与太赫兹光的相互作用得到有效加强。因此，本实用新型能有效改善其他自由空间太赫兹调制器的太赫兹波损耗问题，获得大调制深度、快调制速率和低泵浦光功率优异性能的，具有其突出显著的技术效果。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
16.图1为本实用新型实施例的光控太赫兹光纤调制器的结构示意图。
17.图2为本实用新型实施例的太赫兹光纤端面的结构示意图。
18.图3为本实用新型实施例的太赫兹光纤的侧边设置抛磨区域的结构示意图。
19.图4的(a)为本实用新型实施例的具有微纳结构的超材料的俯视图。
20.图4的(b)为本实用新型实施例的侧边设置有抛磨区域的太赫兹光纤端面的截面图。
21.图5为本实用新型实施例的单层石墨烯的结构示意图。
22.图6为本实用新型实施例的光控太赫兹光纤调制器的工作系统图。
23.图7为本实用新型实施例的光控太赫兹光纤调制器的输出频域图。
24.图标：1-太赫兹光纤；2-超材料；3-单层石墨烯；4-泵浦光；5-空气孔；6-太赫兹光源；7-泵浦光激光器；8-太赫兹检测系统。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
26.参见图1-3、图4的(a)、图4的(b)、图5，一种光控太赫兹光纤调制器包括：用来传输太赫兹波的太赫兹光纤1，太赫兹光纤1的侧边设置抛磨区域，侧边设置有抛磨区域的太赫兹光纤1端面呈“d”型；抛磨区域上设置具有微纳结构的超材料2，超材料2上设置石墨烯3，形成作为光调制结构的石墨烯-超材料结构，石墨烯3为单层或n层(少层)，n》1。该超材料2
既增强外泵浦光4与石墨烯3相互作用，也增强太赫兹波与石墨烯3相互作用，从而获得一个大的调制深度。侧边抛磨平坦区域可以提高石墨烯-超材料和太赫兹倏逝场的接触面积。
27.在本实施例，太赫兹光纤1的抛磨区域采用物理或化学侧抛的方法得到，将一定长度区域的光纤包层和纤芯去掉制成端面呈“d”型的特殊光纤结构。侧边抛磨光纤的平坦抛磨面(抛磨区域)形成纤芯中传输光的“泄露窗口”，倏逝场能量较易从抛磨区域泄露出来，与石墨烯-超材料相互作用。抛磨区域的深度为30～600um，抛磨区域的长度为5～30mm，足够的侧抛长度和侧抛深度充分增大了太赫兹波与超材料2表面接触面积，有效提高了光生载流子利用效率，因而对太赫兹波具有更好调制深度。调整光纤轮式侧边抛磨机的参数，还改变抛磨区域的长度和深度，抛磨区域长度更长，泄露出的太赫兹波与抛磨面上结构作用也更强。总之，本实用新型实例采用的侧边抛磨太赫兹光纤1能有效降低太赫兹波的传输损耗，此外，通过改变侧边抛磨的长度和深度，还能有效增强太赫兹波与抛磨区域上的超材料2之间的相互作用。
28.在本实施例，太赫兹光纤1是传输太赫兹波的一种微结构光纤，太赫兹光纤1直径为100～2000um。太赫兹光纤1的材料为环烯烃聚合物的，中间区域是空气孔5。光纤直径为1mm，适合传输0.1～2.5thz频率的太赫兹波。太赫兹波在自由空间中由于水分子的强烈吸收，使得太赫兹波的传输损耗很大。因此，采用合适的波导来传输太赫兹波，能有效降低太赫兹波的损耗，此种光纤对太赫兹波的吸收系数低于3cm-1
，吸水性低于0.01％。采用太赫兹光纤1，本实用新型能有效改善其他自由空间太赫兹调制器的太赫兹波损耗问题。
29.超材料2为图形化阵列排列的周期性结构，图形为条带柱、方形柱、圆柱、环形柱、多边形柱的任意一种。在可见光和近红外波段，微纳结构产生强烈的局域电场增强效应，其局域电场增强效应能够有效增强光与石墨烯3相互作用。超材料2在太赫兹波段具有高谐振因子。合理的超材料2的微纳结构能有效增强外泵浦光4、太赫兹波跟石墨烯3的相互作用，降低外泵浦光4所需的调制功率。超材料2为金属材料或者半导体材料，超材料2的厚度为100～1000nm。半导体材料为硅或锗等，在本实施例，超材料2为金圆柱，金圆柱的排列呈周期性结构。通过斜入射沉积技术制备800nm金圆柱型结构。超材料2在光学领域具有很多新颖的特性，其纳米尺度的微结构能够对入射光波产生明显的各向异性调制，使本结构出现类似于各向异性晶体材料具备的双折射特性。
30.在本实施例，采用电子迁移率超高的石墨烯3，能获得超快调制速率。在泵浦光4的激励下可以实现太赫兹波的有效调控。具体地，如图5所示，本实用新型的技术方案采用二维材料石墨烯3作为调制媒介物质。二维材料石墨烯3具有独特的结构，应用于制备光控太赫兹幅度调制器件具有优异性能：
31.(1)石墨烯3对可见、近红外以及太赫兹光都有良好响应，采用可见、近红外泵浦光4可以有效调制石墨烯3的载流子浓度，从而改变石墨烯3对太赫兹光的吸收特性，最终实现对太赫兹光幅度的高效调制；
32.(2)石墨烯3光控响应时间为1ps；
33.(3)石墨烯3具有超高热导率，能够减小热量积累，降低热损伤。
34.与其他材料相比，石墨烯3具有许多独特的优点：(1)106cm2/(v
·
s)的超高载流子迁移率，响应快速；(2)石墨烯3的电导率可以通过外部调制，如改变栅极电压和添加外泵浦光4的方式进行调制。一般来说，电磁波的吸收可以用材料介电常数的虚部来描述，这与材
的泵浦光4时，石墨烯-超材料与太赫兹波的谐振频率发生改变，形成透射谱降低，调制深度的增加。
44.具体地，太赫兹波从太赫兹光纤1的侧边抛磨区域泄漏出来，在超材料2的谐振增强下，加强了太赫兹波与石墨烯3的相互作用，侧边抛磨区域的长度远大于太赫兹的波长和石墨烯3的厚度，有效增加了太赫兹波与石墨烯3的作用时间。外泵浦光4的介入导致石墨烯3的太赫兹表面电导率发生变化，超材料2进一步增强了石墨烯3与外泵浦光4的作用，使得石墨烯3对太赫兹波的吸收进一步加强。四者的共同作用下，最终实现一种高效的太赫兹调制器。
45.由上述可见。本实用新型能有效改善其他自由空间太赫兹调制器的太赫兹波损耗问题，获得大调制深度、快调制速率和低泵浦光4功率优异性能的基于石墨烯-超材料增强的光控太赫兹光纤调制器，具有其突出显著的技术效果。
46.上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，并不能对本实用新型进行限定，其他的任何未背离本实用新型的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。