[發明專利]基于石墨烯/金屬混合結構的光開關

在審

• 申請號: 201810014194.9
• 申請日: 2018-01-08
• 公開（公告）號: CN108563040A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 曹冰;楊松;王欽華;趙恩;劉伊
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01;G02F1/00;G02B5/00
• 代理公司: 佛山粵進知識產權代理事務所(普通合伙) 44463
• 代理人: 易朝暉

本發明公開了一種基于石墨烯/金屬混合結構的光開關，包括襯底反射層，所述襯底反射層用于反射入射光；介質層，所述介質層設在所述襯底反射層上；石墨烯層，所述石墨烯層包括至少一層石墨烯，所述石墨烯層設在所述介質層上，所述襯底反射層、所述介質層和所述石墨烯層構成電容結構；金屬結構層，所述金屬結構層設在所述石墨烯層上；金屬電極，所述金屬電極分別設于所述襯底反射層和所述石墨烯層；以及電壓源，所述電壓源分別與所述石墨烯層和所述金屬結構層連接，通過所述電壓源向所述石墨烯層施加電壓以影響所述金屬結構層的等離子共振效應。根據本發明實施例的光開關，在石墨烯層上制作金屬結構層，給石墨烯施加電壓改變石墨烯光學性質，影響金屬結構層的等離子共振效應，從而實現光開關的功能。

技術領域

本發明涉及光開關技術領域，更具體地，涉及一種基于石墨烯/金屬混合結構的光開關。

背景技術

隨著科技進步和現代化的發展，光電元件對尺寸的要求越來越精密，納米光子學為光器件的集成化提供了可能。納米光子學以光學近場為信息載體，通過微納米尺寸的光學元件與近場之間的電磁相互作用，來實現對光的相位，振幅和偏振、透過率等參量進行調控。目前，對納米尺度的光學操控主要通過兩種途徑，一是基于光子晶體，通過對光子晶體內部結構的控制來調控光學傳輸路徑，從而實現光信息的傳遞、調制和光互連，其中典型代表有納米微腔，光波導以及分光器件。光子晶體的結構大部分都是三維的，這對于光子晶體的設計和制作都具有很大的挑戰。另一種調控光的方法是控制表面等離子激元(SurfacePlasmonPolarizations,SPP)的傳播，表面等離子體激元產生于金屬和介質的表面，是光和金屬表面的自由電子共振所引發的混合激發態，也是一種電磁波。通過在介質上設計不同的金屬結構，能夠有效的激發表面等離子體波，實現等離子激元的共振效應，從而在二維平面上就能夠實現對入射光的透過率、振幅、相位等參量的調控。由于設計金屬和介質的結構能夠實現入射光透過率的改變，我們可以設計結構來實現金屬對入射光透過率的改變，當透過率分別為0和不為0時，結構對入射光能夠形成光開關的作用。

石墨烯，一種由碳原子以sp2雜化方式形成的六元環平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的二維材料。石墨烯是一種新型納米材料，由于它十分良好的強度，柔韌，導電，導熱，光學性質，在物理學，材料學，電子信息，計算機，航空航天等領域都得到了長足的發展。在光學領域上，我們發現，石墨烯具有折射率可調的性質。具體來說，就是通過給石墨烯施加電壓，來改變石墨烯的電導率，從而實現折射率的改變。石墨烯的電導率和石墨烯的費米能級相關，通過施加電壓的方式(電摻雜)能夠有效的改變石墨烯的費米能級。因此，石墨烯是一個優良的電壓可調控的材料。

在本發明之前，中國發明專利(CN107121793A)一種基于周期性亞波長孔陣列的表面等離子體光開關。通過在介質基底上設計金屬納米孔陣列，實現等離子激元共振。通過設計固定的孔陣列的參數，實現在一個偏振方向的入射光能共振，其他入射偏振光無共振效應，從而通過改變入射光的偏振角來實現光開光的作用。該發明采用入射偏振角的改變來實現光開關的作用，未涉及針對同一偏振入射光的光開關。

中國發明專利(CN107329209A)M*N多播傳送光開關，通過低折射率差的光分路器陣列與高折射率的光開關陣列的集成，利用不同材料的波導陣列得到了多播傳送光開關。該發明采用多種波導來實現開關功能，未涉及到平面結構的光開關。

中國發明專利(CN106873082A)一種開口諧振環超材料光開關，結構為陶瓷材料的基底和開口諧振環，利用光激發能夠引起陶瓷材料介電常數改變的特征，使開口諧振環的諧振頻率或者諧振強度發生變化，實現光開關的功能。該發明利用了入射光引起材料特性的改變，不能實現實時的開關調控。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一。

為此，本發明的目的在于提出一種通過電壓調控能夠實時改變入射光透過率的基于石墨烯/金屬混合結構的光開關。