基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器技术领域
本发明属于通信用光纤器件领域，特别涉及一种基于石墨烯栅层微细光纤的电光
任意波形发生器。
背景技术
任意波形光脉冲(OAWG)可以满足下一代网络对超高速传输速率和超宽带宽的需
求：OAWG可以产生宽带微波信号，比如适合通信的高斯信号以及能量效率较高的波形；OAWG
可以提供复杂的全光矢量调制格式，如QAM、QPSK、DPSK、DSB-SC等，提高传输频谱效率；OAWG
可以对接收信号进行色散补偿，提高信号质量；OAWG可以进行太赫兹信号合成，适应超高速
通信系统；OAWG在全光报文分组网络中，用于产生光标签；OAWG还可以产生任意微波信号，
如多通道时分复用的射频任意波形。
对光波型的控制可以从频域和时域两个角度实现。频域方法主要基于衍射光栅、
阵列波导和光纤光栅等器件。基于衍射光栅的频域方法利用衍射光栅将输入光脉冲的频谱
成分在空间上进行分离，光脉冲形状由掩膜版在频域上的傅里叶变换模式决定。固定掩膜
版无法实时调控，而利用可编程的空间光调制器可以对不同空间位置的光进行幅度和相位
调节，然而实现任意波形的输出要求空间光调制器具有较高的调制带宽和空间分辨率。
2005年，Z.Jiang等人提出逐行整形的概念，使用高分辨率衍射光栅获得的空间光梳作为输
入，利用液晶空间光调制器独立控制每条谱线，获得高占空比的输出波形。可是在这种方法
中，空间光调制器的调制速度与产生波形的质量需要平衡，无法同时达到最优，同时这种方
法存在准直控制复杂、耦合损耗高和不易集成等问题，限制实际应用。
阵列波导光栅通道较多，可以用来分辨光梳中的各条谱线，与调制器阵列相结合，
可以实现对各个谱线幅度和相位独立的操控。然而基于阵列波导光栅的方法整形的谱线数
量受到其自由光谱范围的限制，目前最多为49条，同时相邻通道间色度的干扰也是频域分
辨率无法低于10Ghz。
基于光纤光栅的整形结构使得简单低损耗的全光纤系统成为可能。由于具有复杂
反射谱的光纤光栅制作难度较高，Naum K.Berger等人提出了级联均匀光纤布拉格光栅，并
设计了各光栅的反射率、时延和相移。
其他产生任意波形的方法还有：色散补偿光纤结合电光相位调制器、基于微波光
子滤波器(MZ干涉仪结合电光调制器)、产生任意形状电脉冲控制激光、利用交叉相位调制
中产生的非线性相移和光纤环境对光脉冲整形、利用非线性高双折射光纤实现脉冲整形以
及脉冲堆积等办法。
频域波形控制方法在实际应用中对于外界环境有较高的要求，分布在空间中的不
同频率成分很难对于环境噪声有相同的响应，影响了控制的准确性。很多情况下频域方法
是对各波长分别进行相位操作，这要求器件制作有很高的精度。同时，频域方法基于光梳输
入，这对光梳的数量和频率间隔都有要求。采用合适的时域方法可以有效地减小环境的影
响，同时降低器件的制作难度。基于调制器的时域方法要求调制器具有超快的响应速度、调
制深度和很小的尺寸，以石墨烯为代表的二维材料是很好的选择。
石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成正六边形呈蜂窝状晶格的二位氮原子层平
面晶体薄膜，狄拉克锥能带结构使其具有各种奇特和突出的光电性能(饱和吸收、超快载流
子跃迁和弛豫过程等)。基于这些特性的光调制器、超快锁模激光器、光电探测器、偏振控制
器、光限幅器以及光伏器件、透明电极和导电薄膜已经被实验演示或商品化。其中，基于石
墨烯的光调制器在调制速度方面展现了其他材料调制器无法比拟的优势，同时也兼顾集成
性、调制深度、调制带宽和功耗等方面的考虑。
基于石墨烯的电光调制器通过改变电压调控石墨烯的费米能级，控制石墨烯对载
波的传输和吸收性能实现调制，同时石墨烯超快的载流子弛豫速度使得这种调制的速度可
以非常快(几百fs到几ps)。超宽波长调制范围、大调制深度、低功耗和高面积效率也是石墨
烯给予全光调制的优点。自2011年加州大学伯克利分校的刘明等人首次实现石墨烯电光调
制以来，大量石墨烯电光调制器的仿真计算和实验被报道，成为目前基于石墨烯调制研究
的主要方向。
将光纤作为波导结构与石墨烯结合使调制器借助光纤的优点：调制器与现有光纤
通信系统兼容，极低的输入、输出耦合损耗；光可以在光纤中以基模传输，极低的传输损耗；
光纤结构理论成熟、性能清晰、种类多样，利于与石墨烯结合设计出各种性能优良的调制
器。
需要注意的是，已有的调制器都是采用空间上单点调制的方式，这样产生的已调
信号的速度等于调制信号速度，当需要在载波中加载超高频率的信号时就需要超高速的调
制信号，而产生超快电信号的高速电路与产生超高重复频率光脉冲序列的光系统都是难以
制作的，价格也是昂贵的。光时分复用是产生高速信号一种有效的办法，但是光时分复用器
对制作精度要求很高，而且对温度敏感，同时其本身需要很窄的脉冲光作为光源。将高重复
频率的调制信号在空间上拆解为很多低重复频率的调制信号，在光波导的不同位置同时加
载，对载波的不同空间部分进行同时调制同样可以得到高速调制的效果，这种方法由本发
明首次提出，称为空间调制。
基于上述石墨烯空间调制器的任意光波形发生器在空间上对不同位置的载波进
行不同的吸收，时域上产生任意光波形，该发生器具有上述石墨烯空间调制器的所有优点，
是石墨烯空间调制器的一种很好的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意
波形发生器，旨在精确产生无限定范围任意需要的波形。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器，包括：微细光纤1、石墨烯栅层
2、正电极阵列3、负电极阵列4和平板基底5；
所述石墨烯栅层2置于平板基底5上，所述微细光纤1置于石墨烯栅层2上；
所述正电极阵列3包括多个正电极，所述负电极阵列4包括多个负电极；
所述正电极阵列3的各正电极与负电极阵列4的各负电极分别连接于石墨烯栅层2
各单元的两端。
在上述方案的基础上，所述微细光纤1的直径为1-20μm。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2的层数小于10。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2各单元的长度为20-500μm，相邻单元间距
为100-3000μm，单元数为30。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2的空间周期在微米量级,所述空间周期为
两条相邻石墨烯带的间距。
经过上述设置，将所需波形编辑成电极阵列产生的随时间变化的空间电信号阵
列，以较低频率改变电极阵列所产生的空间电信号阵列，该发生器可以精确产生任意所需
波形。
本发明基本原理：微细光纤1具有强烈的倏逝场，将载波扩散到石墨烯栅层2中接
受调制。电极阵列的各正、负电极对分别向石墨烯栅层2中对应的单元同时施加电压，同时
改变各单元的费米能级，从而调节石墨烯栅层2对所在空间位置载波的吸收能力。所需波形
被拆解编辑为电极阵列产生的随时间变化的空间电信号阵列，将产生的随时间变化的空间
电信号阵列施加在石墨烯栅层2各单元的两端，使石墨烯栅层2的吸收特性在沿微细光纤1
轴向上形成与空间电信号阵列相同的空间分布，对载波进行可调的多位置同时吸收。石墨
烯超短的载流子弛豫时间使各个位置载波被吸收形成的波形具有三个特点：微米级宽度，
幅度可由其位置处电信号控制，形状非常接近矩形。石墨烯栅层2各个位置经吸收的载波的
波形按空间顺序组合形成波包，即产生了所需的波形。微细光纤1轴方向大尺寸的石墨烯栅
层2可以在同一时间点加载大空间长度的所需波形，降低了所需的电极阵列所加电压的变
化速度，从而以很低的控制速度实现任意波形的形成。
本发明具体有益效果：
(1)本发明可以产生无限定范围的任意波形。
(2)本发明产生的任意波形具有极高的精度，所需波形由各位置经吸收的载波波
形组成，其长度为百微米量级，其对应的时间长度为几十飞秒量级。
(3)空间电信号阵列和空间信息加载方式相组合，改变了传统的单点加载方式，使
大量信息可以在同一时刻加载，降低了实际加载控制的速率，解决了单点加载时超快信号
源难以获得的问题。
(4)本发明的串联结构易于制作，可以精确控制各个低速吸收位置波形的组合。
(5)本发明对使用环境不敏感。
(6)微细光纤作为基本波导，与现有光纤通信系统兼容，极低的输入、输出耦合损
耗；载波在光纤中以基模传输，传输损耗极低。
附图说明
本发明有如下附图：
图1基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器结构示意图。
图2实施例一中所需产生的波形。
图3实施例一中正负电极对31、41所加电信号。
图4实施例一中正负电极对32、42所加电信号。
图5实施例一中正负电极对33、43所加电信号。
图6实施例一中正负电极对34、44所加电信号。
图7实施例一中正负电极对35、45所加电信号。
图8实施例一中正负电极对36、46所加电信号。
图9实施例一中正负电极对37、47所加电信号。
图10实施例一中正负电极对38、48所加电信号。
图11实施例一中正负电极对39、49所加电信号。
图12实施例一中正负电极对310、410所加电信号。
图13实施例一中正负电极对311、411所加电信号。
图14实施例一中正负电极对312、412所加电信号。
图15实施例一中正负电极对313、413所加电信号。
图16实施例一中正负电极对314、414所加电信号。
图17实施例一中正负电极对315、415所加电信号。
图18实施例一中正负电极对316、416所加电信号。
图19实施例一中正负电极对317、417所加电信号。
图20实施例一中正负电极对318、418所加电信号。
图21实施例一中正负电极对319、419所加电信号。
图22实施例一中正负电极对320、420所加电信号。
图23实施例一中正负电极对321、421所加电信号。
图24实施例一中正负电极对322、422所加电信号。
图25实施例一中正负电极对323、423所加电信号。
图26实施例一中正负电极对324、424所加电信号。
图27实施例一中正负电极对325、425所加电信号。
图28实施例一中正负电极对326、426所加电信号。
图29实施例一中正负电极对327、427所加电信号。
图30实施例一中正负电极对328、428所加电信号。
图31实施例一中正负电极对329、429所加电信号。
图32实施例一中正负电极对330、430所加电信号。
图33实施例一中实际产生的波形。
图34实施例二中所需产生的波形。
图35实施例二中正负电极对(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,430)电信号。
图36实施例二中正负电极对(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)电信号。
图37实施例二中正负电极对(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)电信号。
图38实施例二中正负电极对(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)电信号。
图39实施例二中正负电极对(35,45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)电信号。
图40实施例二中正负电极对(36,46)、(310,410)、(321,421)、(325,425)电信号。
图41实施例二中正负电极对(37,47)、(39,49)、(322,422)、(324,424)电信号。
图42实施例二中正负电极对(38,48)、(316,416)电信号。
图43实施例二中实际产生的波形。
具体实施方式
下面结合附图对基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器作进一步描述。
基于石墨烯栅层微细光纤的电光任意波形发生器，包括：微细光纤1、石墨烯栅层
2、正电极阵列3、负电极阵列4和平板基底5；
所述石墨烯栅层2置于平板基底5上，所述微细光纤1置于石墨烯栅层2上；
所述正电极阵列3包括多个正电极，所述负电极阵列4包括多个负电极；
所述正电极阵列3的各正电极与负电极阵列4的各负电极分别连接于石墨烯栅层2
各单元的两端。
在上述方案的基础上，所述微细光纤1的直径为1-20μm。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2的层数小于10。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2各单元的长度为20-500μm，相邻单元间距
为100-3000μm，单元数为30。
在上述方案的基础上，所述石墨烯栅层2的空间周期在微米量级，所述空间周期为
两条相邻石墨烯带的间距。
实施例一：
该任意波形发生器包括微细光纤1、石墨烯栅层2、正电极阵列3(正电极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)、负电极阵列4(负电极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(图1)。组合方式为：石墨烯栅层2置于平板基底5之上，微细光纤1置于石墨
烯栅层2上。微细光纤1直径为8μm，石墨烯栅层2单元长度为300μm，相邻单元间距为280μm，
单元数30，整个平板基底5尺寸为18mm×1mm。所用石墨烯栅层2层数为1。载波从微细光纤1
一端通入，在另一端检测产生的波形。将所需波形(如图2)编辑为随时间变化的空间电信号
阵列，体现在各个正负电极对上电信号，分别如图3到图32所示，施加在各正负电极对对应
的石墨烯栅层2单元上，在微细光纤1输出端可得到发生的波形(图33)。
实施例二：
该任意波形发生器包括微细光纤1、石墨烯栅层2、正电极阵列3(正电极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)、负电极阵列4(负电极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(图1)。组合方式为：石墨烯栅层2置于平板基底5之上，微细光纤1置于石墨
烯栅层2上。微细光纤1直径为5μm，石墨烯栅层2单元长度为120μm，相邻单元间距为110μm，
单元数30，整个平板基底5尺寸为7mm×1mm。所用石墨烯栅层2层数为4。载波从微细光纤1一
端通入，在另一端检测产生的波形。将所需波形(如图34)编辑为随时间变化的空间电信号
阵列，体现在各个正负电极对上电信号，正负电极对(31,41)、(315,415)、(316,416)、(330,
430)电信号如图35所示，正负电极对(32,42)、(314,414)、(317,417)、(329,429)电信号如
图36所示，正负电极对(33,43)、(313,413)、(318,418)、(328,428)电信号如图37所示，正负
电极对(34,44)、(312,412)、(319,419)、(327,427)电信号如图38所示，正负电极对(35,
45)、(311,411)、(320,420)、(326,426)电信号如图39所示，正负电极对(36,46)、(310,
410)、(321,421)、(325,425)电信号如图40所示，正负电极对(37,47)、(39,49)、(322,422)、
(324,424)电信号如图41所示，正负电极对(38,48)、(316,416)电信号如图42所示，施加在
各正负电极对对应的石墨烯栅层2单元上，在微细光纤1输出端可得到发生的波形(图43)。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。