CN111240048B - 一种光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光调制器，包括导电底层，所述导电底层的上表面的两端上固定设有绝缘层，所述绝缘层的上表面固定设有润滑层，所述二维材料的两端的下表面设在所述润滑层的上表面上，所述导电底层上设有第一电极，所述润滑层上设有第二电极，所述二维材料在所述润滑层上滑动。本发明的有益效果是：通过改变二维材料和导电底层之间的电压从而调节二维材料和底座之间的静电力，使得二维材料在润滑层上滑移，调节二维材料和导电底座之间的距离从而实现光调控，这种电光调制器可以实现紫外至红外光谱范围内的同时调制，且调制速度快，调制电压小，功耗低。
Description
技术领域
本发明涉及电光技术领域，具体是一种光调制器。
背景技术
光调制器在光通信中具有广泛的应用，也可以用于雷达和激光调制中。光调制有机械调制、声光调制、磁光调制器、电光调制、电吸收调制。其中电光调制利用电光效应如线性电光效应(泡克耳斯效应)等来调制，其速度极高，但通常只能工作在特定波长附近，调制波长范围窄。二维材料如石墨烯等也被用来制作电光调制器。其主要通过调制二维材料的费米能级来调节能带间光吸收。调节频率也很高。但这种调制器也只能工作在光子跃迁能在费米能级附近的波段。机械光调制如斩波器调制波长范围极宽，可以同时调控紫外至远红外波段的光束，但传统机械光调制的调制速度较低，其最大调制频率仅为几十千赫兹，并不适用于现代高速光通信，也无法应用于超高速显示和成像等领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光调制器，通过改变二维材料和导电底层之间的电压，从而利用静电力使得二维材料在润滑层上滑移，调节二维材料和导电底座之间的距离从而实现光调控，这种微纳机械电光调制器可以实现紫外至红外光谱范围内的同时调制，且调制速度快，调制电压小，功耗低。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：包括导电底层，所述导电底层的上表面的两端上固定设有绝缘层，所述绝缘层的上表面固定设有润滑层，所述二维材料的两端的下表面设在所述润滑层的上表面上，所述导电底层上设有第一电极，所述润滑层上设有第二电极，所述二维材料在所述润滑层上滑动。
本发明的有益效果是：由于二维材料可以在润滑层上滑移，当导电底层和二维材料间施加一定的电压时，由于静电力的作用，导电底层和二维材料间相互吸引或排斥，从而使得二维材料在润滑层上滑移并改变导电底层和二维材料之间的间距，由于光在导电底层和二维材料之间的干涉，可以有效的调控导电底层和二维材料的光吸收和光反射，从而实现光的高效调制。且当机电系统尺寸减小到微米或纳米尺寸时，其运动速度迅速提高，调制速度可以达到GHz以上。相比于传统微纳结构，二维材料是最薄，其单位面积质量更小，加速更快，调制速度更高。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述二维材料为单层或多层石墨烯。
采用上述进一步方案的有益效果是石墨烯单位面积质量密度低，调制速度高，此外，石墨烯在紫外至红外波段吸收率基本一致，工作波段宽。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述润滑层的材质为石墨材质。
采用上述进一步方案的有益效果是石墨解理面和石墨烯之间存在超润滑效应，摩擦系数极小，有利于提高调制的调制速度，减小功耗。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述导电底层中部的凸起的表面为光滑铝材质。
采用上述进一步方案的有益效果是铝材料在紫外至红外波段都具有较高的反射率，有利于提高底座和二维材料之间光干涉，提高调制效率和工作带宽。
在上述方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述润滑层为L形润滑层。
采用上述进一步方案的有益效果是当施加电压后，二维材料在润滑层上滑移，接触面积减小，二维材料和润滑层之间的表面束缚能减小，这将提供一个回复力，减弱或阻止二维材料在润滑层上的滑移。回复力正比于接触面积的变化。L形润滑层这种上窄下宽的润滑层有利于在初始阶段也就是二维材料和底座距离较大时提供一个较小的回复力，这有利于提高调制速度。而当二维材料和底座距离很小时提供一个较大的回复力，这有利于避免二维材料与底座的黏连，以至于调制失效。此外，在这种结构中摩擦力正比于总的接触面积，L形润滑层这种上窄下宽的润滑层可以在回复力不变的情况下调节摩擦力，避免摩擦力过大以至于功耗过大、调制速率低，也可以避免摩擦力过小导致二维材料出现震荡现象。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为润滑层的结构示意图；
图3为波长550纳米的光在周期为15纳米的方波电压调制下光调制率和时间关系图；
图4为被调制光波长和调制率关系图；
图5为入射光角度和调整率关系图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、导电底层，2、绝缘层，3、润滑层，4、二维材料，5、被调制光，6，第二电极，7，第一电极。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的箱体或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电路连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例中，一种光调制器，包括导电底层1，所述导电底层1的上表面的两端上均固定设有绝缘层2，两个所述绝缘层2的上表面均固定设有润滑层3，两个所述润滑层3的上表面之间设有二维材料4，所述二维材料4的两端的下表面分别设在两个所述润滑层3的上表面上，所述导电底层1上设有第一电极7，一所述润滑层3上设有第二电极6，第一电极7和第二电极6的正负可以相反，也可以是同极，异种电极相吸引，距离变小，同种相排斥，距离增大,二维材料4中部和导电底层1之间由空气或真空隔开。
润滑层3为L形润滑层，二维材料4的两端的下表面分别设有两个L形润滑层，两个L形润滑层水平相对设置，如图2所示。L形润滑层当施加电压后，二维材料4在润滑层3上滑移，接触面积减小，二维材料4和润滑层3之间的表面束缚能减小，这将提供一个回复力，减弱或阻止二维材料4在润滑层3上的滑移。回复力正比于接触面积的变化，采用L形润滑层，由于L上部较细，滑移时接触面积变化小，有利于减小回复力，从而降低调制电压。同时，当滑移长度过大时，二维材料4达到L形的底边，若继续滑移，接触面积变化极大，这将导致一个极大的回复力，从而阻止二维材料4的继续滑移，从而避免二维材料4与润滑层3的脱离，以及与导电底层1的直接接触，更好的支撑二维材料4。
两边石墨解离面润滑层2之间的距离也就是豁口宽度为40微米，润滑层3的材质为石墨材质，表面为解离面，宽度为1微米；不加电压时，石墨烯和导电底层1之间的距离为110纳米，导电底层长和宽都为35微米，工作电压0.18伏，导电底层1为光滑铝材料。
由于二维材料4可以在润滑层3上滑移，当导电底层1和二维材料4间施加一定的电压时，导电底层1和二维材料4间相互吸引，从而可以改变导电底层1和二维材料4之间的间距，由于光在导电底层1和二维材料4之间的干涉，可以有效的调控导电底层1和二维材料4的光吸收和光反射，从而实现光的高效调制。
具体的调制效果如图3、图4和图5所示，可以同时调控波段为整个可见光、近红外和通讯波段的光束，波长范围在1.2微米以上，比传统光电调制的工作波长范围大2-3个量级；工作电压仅为0.18V，比传统光调制小约1-2个量级；调制响应速度约为2纳秒，调制频率在100MHz以上，比传统机械调制速度快2-4个量级。
优选被调整光4的入射角度，当被调制光5倾斜15-80度入射。斜入射时，石墨烯的光吸收可调范围更大，反射变化较大。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光调制器，其特征在于：包括导电底层(1)，所述导电底层(1)的上表面的两端上固定设有绝缘层(2)，所述绝缘层(2)的上表面固定设有润滑层(3)，所述二维材料(4)的两端的下表面设在所述润滑层(3)的上表面上，所述导电底层(1)上设有第一电极(7)，所述润滑层(3)上设有第二电极(6)，所述二维材料(4)在所述润滑层(3)上滑动,当所述导电底层(1)和所述二维材料(4)间施加一定的电压时，所述导电底层(1)和所述二维材料(4)间相互吸引或排斥，从而使得所述二维材料(4)在所述润滑层(3)上滑移并改变所述导电底层(1)和所述二维材料(4)之间的间距，调控所述导电底层(1)和所述二维材料(4)的光吸收和光反射。
2.根据权利要求1所述的一种光调制器，其特征在于：所述二维材料(4)为单层或多层石墨烯。
3.根据权利要求2所述的一种光调制器，其特征在于：所述润滑层(3)的材质为石墨材质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种光调制器，其特征在于：所述导电底层(1)中部的凸起的表面为光滑铝材质。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种光调制器，其特征在于：所述润滑层(3)为L形润滑层。
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