[發明專利]一種基于面內異質結的極化波波導傳輸耦合裝置及制備方法

有效

• 申請號: 201811336502.6
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109407210B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 戴慶;郭相東;楊曉霞;胡海;胡德波;廖寶鑫
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11416
• 代理人: 龐立巖;顧珊

本發明公開了一種基于面內異質結的極化波波導傳輸耦合裝置，該傳輸耦合效率可調控，所述裝置自下而上依次包括設置的襯底、電介質層、石墨烯/hBN面內異質結薄膜；本發明可改變石墨烯等離激元極化波和hBN聲子極化波的動量匹配條件，從而調控極化波之間的傳輸耦合效率；當調控石墨烯費米能達到兩種極化波動量匹配點時，極化波之間的耦合效率可達到100％，實現100％透射。

技術領域

本發明涉及光子集成回路技術領域，特別涉及一種等離激元極化波和聲子極化波波導在石墨烯/hBN面內異質結上傳輸耦合的裝置及方法。

背景技術

光子集成回路可以克服光學衍射極限，將器件尺度極大縮小，可以實現納米尺度上集成，同時其借助光信號進行信息傳輸，極大降低了傳輸過程中損耗，為在互聯光路、光計算等功能方面顯現出巨大的潛力和優勢，有可能是取代“集成電路”的新一代信息技術的重要支柱。

石墨烯是單層碳原子構成的二維晶體，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優異的電學和光學等特性，在光電器件和光子集成回路領域具有巨大應用潛力。現有石墨烯上會支持等離激元極化波模式，這是自由空間中入射光子和石墨烯上的電子耦合形成的。石墨烯等離激元可以將空間中光束縛在納米尺度上，實現高局域的電磁波導模式，有利于實現更小尺寸上光子集成回路。石墨烯等離激元極化波也容易被調控，通過加柵壓或者化學摻雜方式改變其費米能實現。石墨烯電導率可以由Kubo方程給出，介電函數通過電導率計算得來。(Nanoscale,2017,9(39):14998-15004.)

hBN(氮化硼)是層狀范德華晶體，其由各個原子平面通過范德華弱相互作用力耦合在一起。hBN是天然低損耗的紅外雙曲材料，在它的上剩余射線帶(1370-1610cm^-1)和下剩余射線帶(780-830cm^-1)內支持聲子激元極化波。聲子極化波是自由空間中的光子與hBN中的聲子發生耦合形成的，其具有低損耗長距離傳輸的優勢。它的電磁波導模式依賴于hBN的厚度，主要分布材料體內和表面，也可以實現將光束縛在納米尺度內，有利于實現更小尺寸上光子集成回路。hBN的介電函數通過第一性原理推導計算得來，可參考(Nano letters,2015,15(5):3172-3180.)。

石墨烯/hBN面內異質結可以通過化學氣相沉積手段進行生長，面內異質結的制備，為未來實現更小尺度的納米集成電路和納米集成光子回路奠定了材料的基礎。然而，在幾層甚至單層原子尺度上，波導模式分析和極化波的傳導一直存在著極大的挑戰。因此發明了一種在石墨烯/hBN面內異質結上高效調控極化波波導的傳輸耦合的方法。

發明內容

本發明的技術方案：一種基于面內異質結的極化波波導傳輸耦合裝置，所述裝置傳輸耦合效率可調控，所述裝置自下而上依次包括設置的襯底、電介質層、石墨烯/hBN面內異質結薄膜；

其中，所述電介質層沉積在襯底上，石墨烯/hBN面內異質結薄膜覆蓋于電介質層上；

設置偏置電壓源，所述偏置電壓源的一極加在襯底上，另一極加在石墨烯上。

優選的，所述石墨烯/hBN面內異質結薄膜是通過化學氣相沉積法制備出來的，其上面支持的極化波可以用散射型近場光學顯微鏡或者棱鏡耦合的方式激發和探測的。

優選的，所述襯底的材料包括Si，用于作為導電柵極層；

所述電介質層的材料包括SiO2,MgF2，CaF2，BaF2，空氣材料，所述電介質層的厚度范圍為10nm～3000nm；

所述偏置電壓源的金屬材料包括但不限于金、銀、銅、鋁、鉑單一金屬層、合金層或多種單一金屬層或合金層的疊加結構，其中金屬材料的寬度和長度范圍為10nm～2×10⁷nm，厚度范圍為5nm～3×10⁶nm。