[發明專利]一種基于石墨烯等離子體的寬帶透射式紅外光調制器

在審

• 申請號: 202010350642.X
• 申請日: 2020-04-28
• 公開（公告）號: CN111458906A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 王欽華;袁志豪;曹冰;熊先杰;何耿;周浩;羅安林;陳王義博;徐立躍
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01;G02F1/00
• 代理公司: 蘇州智品專利代理事務所(普通合伙) 32345
• 代理人: 呂明霞

本發明屬于光學器件領域，為提高調制器調制深度和帶寬提出一種基于石墨烯等離子體的寬帶透射式紅外光調制器，包括襯底，襯底上覆蓋有石墨烯調制層，調制層上通過鍍膜?刻蝕設有非金屬光柵層，非金屬光柵層上通過鍍膜設有金屬光柵層，襯底兩側分別通過鍍膜設有電極一與電極二。通過將石墨烯與非金屬光柵層耦合，利用金屬光柵的優異偏振特性和對石墨烯局域表面等離子激元進一步增強的場約束能力，從而大幅提高器件的調制深度和調制帶寬，該結構對TE線偏振入射光具有強反射，對TM線偏振入射光可實現在寬波段范圍內高調制深度的透射調制，該特性可實現在自然光入射時，對透射光具有高調制深度、寬調制帶寬的調制功能。

技術領域

本發明涉及光學器件技術領域，具體為一種基于石墨烯等離子體的寬帶透射式紅外光調制器。

背景技術

石墨烯作為一種二維材料，由單層碳原子以蜂窩狀晶格結構排布，其柔性可彎曲的特點使其能夠與超表面結構相結合；而且石墨烯具備超寬的調控帶寬（從近紅外到太赫茲），超高的載流子遷移率可以達到200000 cm²/(V×s)，這為實現寬波段超快光電子器件提供了可能。光調制器作為芯片光互聯中的核心器件，在未來具有著十分重要的應用前景。近年來，關于石墨烯光調制器的研究受到國內外學者的廣泛研究。

為了提高石墨烯光調制器的調制深度和調制帶寬，需要增強光與石墨烯的相互作用，目前關于石墨烯光調制器的研究主要包括：基于波導結構的石墨烯光調制器和基于超表面的石墨烯光調制器。對于基于波導結構的石墨烯光調制器，其調制能力對波導長度具有強烈的依賴性，例如：Liu等人將單層石墨烯與硅波導耦合，通過調節石墨烯的費米能級，在1.35μm到1.60μm的近紅外波段實現了40 μm波導長度內~0.1 dB/μm的調制深度（參見[Ming Liu, et. al., A Graphene-Based Broadband Optical Modulator, Nature,vol. 474, no. (7349), pp. 64-67, 2011]）。除了利用波導增強石墨烯的調制能力，還可以將石墨烯表面等離子體與超表面結合，提高石墨烯與光的相互作用。例如：Gao等人將單層石墨烯平鋪在硅光柵上，利用導模共振并通過給石墨烯施加偏置電壓實現對TM光的透射調制，當費米能級從0.4 eV增加到0.9 eV時，共振峰頻率可以從1000 cm^-1遷移到1400 cm^-1（約為7 – 10 μm），調制深度可達10 dB（參見[Weilu Gao, et. al., Excitation ofPlasmonic Waves in Graphene by Guided-Mode Resonances, Acs Nano, vol. 6, no.(9), pp. 7806-7813, 2012]）。上述基于石墨烯的光調制器雖然各自的機理不同，但石墨烯與電場弱的相互作用限制了器件的調制深度和調制帶寬。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于石墨烯等離子體的寬帶透射式紅外光調制器，以解決現有調制器存在的調制深度和調制帶寬不高的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基于石墨烯等離子體的寬帶透射式紅外光調制器，包括襯底，所述襯底上覆蓋有調制層，所述調制層上通過鍍膜-刻蝕設有非金屬光柵層，所述非金屬光柵層上通過鍍膜設有金屬光柵層，所述襯底兩側分別通過鍍膜設有電極一與電極二，所述調制層為石墨烯。

優選的，所述石墨烯可以直接生長或者轉移至所述襯底上，可以為單層或者多層所述石墨烯，形狀可以為一片完整的石墨烯也可以是石墨烯納米帶陣列。

優選的，所述非金屬光柵層的材料為硅，且利用鍍膜工藝沉積在所述調制層的上方，形成一層均勻的硅膜，通過刻蝕工藝形成所述非金屬光柵層。

優選的，所述金屬光柵層的材料為鋁，利用鍍膜工藝均勻地沉積于所述非金屬光柵層的上表面，且位于所述非金屬光柵層狹縫中的所述調制層的上方。