[發明專利]一種基于石墨烯的光定向耦合器件

有效

• 申請號: 201510640010.6
• 申請日: 2015-10-08
• 公開（公告）號: CN105116496B
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發明（設計）人: 賀夢冬;彭宇翔;王凱軍;王磊
• 申請（專利權）人: 中南林業科技大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26;G02B1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光發生器和光定向耦合結構；平行光發生器位于光定向耦合結構的上方；光定向耦合結構從上至下依次包括含雙狹縫的金屬薄膜、上層二氧化硅層、石墨烯層、下層二氧化硅和背柵極；石墨烯層和背柵極之間設置有可調電源；平行光發生器產生一束TM模式電磁波斜射在雙狹縫金屬薄膜上，在狹縫出口表面形成耦合電磁模，該耦合電磁模在金屬薄膜與石墨烯之間的上層二氧化硅介質層中傳輸。本發明通過柵極電壓調節石墨烯的費米能級來調控光信號的耦合方向，實現了對光信號的主動控制，而且所需的功耗較小，響應速度快，具有很寬的工作頻帶。

技術領域

本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種基于石墨烯的光定向耦合器件。

背景技術

石墨烯是碳原子緊密堆積成單層蜂窩狀晶格結構的碳質材料，它有著超寬帶的光學響應譜、極強的非線性光學特性以及與硅基半導體工藝的兼容性，使其在新型光學和光電器件領域具有得天獨厚的優勢。在一定條件下，石墨烯表面傳導電子與光子相互作用形成耦合電磁模（即，表面等離激元）。該耦合電磁模最大的優點在于其能夠突破衍射極限，可作光耦合器件中的信息載體。

傳統的光定向耦合器件存在不能主動控制、切換光信號，損耗高、局域程度低、尺寸較大、激發波段窄、不可調諧等不足之處。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能主動控制、切換光信號的石墨烯光定向耦合結構。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光發生器和光定向耦合結構；所述平行光發生器位于光定向耦合結構的上方；所述光定向耦合結構從上至下依次包括含雙狹縫的金屬薄膜、上層二氧化硅層、石墨烯層、下層二氧化硅和背柵極；所述石墨烯層和背柵極之間設置有可調電源；所述平行光發生器產生一束TM模式電磁波斜射在雙狹縫金屬薄膜上，在狹縫出口表面形成耦合電磁模，該耦合電磁模在金屬薄膜與石墨烯之間的上層二氧化硅介質層中傳輸。利用兩狹縫產生的電磁模之間的位相差，可在不同方向實現不同的干涉現象（例如，干涉相長和干涉相消），從而達到光信號定向耦合的目的。石墨烯放置在附有p型摻雜硅介質襯底的下層二氧化硅介質上面，將p型摻雜硅介質層作為背柵極，在石墨烯與背柵極之間外加電壓。改變背柵電壓可調節石墨烯費米能級，石墨烯費米能級的變化影響著耦合電磁模的有效折射率，進而調控耦合電磁模之間的位相差，可在一個方向上實現由干涉相長到干涉相消之間的轉換，耦合電磁模的傳輸方向得以主動操控。

本發明中，所述金屬薄膜為銀薄膜。對于入射的電磁波，銀或金可視為理想導體，從而減少本發明基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。

本發明中，所述金屬薄膜和上層二氧化硅的厚度均在30-100nm之間。

本發明中，所述金屬薄膜的厚度為50nm，所述上層二氧化硅的厚度為40nm。

本發明中，所述背柵極為p型摻雜硅介質層，所述p型摻雜硅介質層附著在下層二氧化硅介質層的下面。

本發明中，所述下層二氧化硅的厚度在50--100nm之間，所述p型摻雜硅介質層的厚度在200-1000nm之間。

本發明中，所述下層二氧化硅的厚度為80nm；所述p型摻雜硅介質層的厚度為500nm。

上述的光定向耦合結構可通過如下過程制備：將一剝離的石墨烯轉移至附有p型摻雜硅介質襯底的二氧化硅介質上，然后在石墨烯上依次沉積二氧化硅和銀，最后利用電子束刻蝕技術在銀膜上刻蝕倆狹縫。