[實用新型]一種基于石墨烯的混合等離子體光學調制器

有效

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• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN214474308U
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設計）人: 孔祥壯;李金花;裴世鑫;吳鵬奕
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035;G02B6/122
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 蔣廈

本實用新型公開了一種新型的基于石墨烯的混合等離子體光學調制器。涉及光學調制領域，包括兩個電介質納米線、一個金屬納米線、覆蓋納米線的波導包層、雙層石墨烯、兩個金屬電極及雙層石墨烯層之間的電容填充物。通過電介質和金屬兩種材料的納米線，能夠實現(xiàn)電磁波亞波長束縛并提高電磁場與石墨烯的相互作用，雙層石墨烯分別與金屬電極接觸，雙層石墨烯在金屬電極電信號激勵下實現(xiàn)對光調制器的開啟和關閉。本實用新型可以實現(xiàn)高調制深度、低傳輸損耗、大調制帶寬的光調制，在集成高速全光網絡中的應用前景廣泛。

技術領域

本實用新型涉及石墨烯光電調制器技術領域，具體涉及一種基于石墨烯的混合等離子體光學調制器。

背景技術

光調制器是實現(xiàn)高速、短距離光通信的關鍵器件。目前光調制器正朝著更快，更小、更高帶寬的集成化方向發(fā)展；傳統(tǒng)的光電調制器已經跟不上光纖通信尤其是5G通信技術發(fā)展的步伐；因此，開發(fā)新型高性能光電調制器迫在眉睫。研究表明，在傳統(tǒng)硅基波導器件上引入二維材料，不僅能夠增強器件的調制性能，精簡器件的結構尺寸，而且器件的制備工藝與當前工業(yè)化CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術相互兼容。其中，石墨烯作為一種典型的光電二維材料，在光電調制、光電探測等領域有著十分重要的研究潛力。石墨烯的光電導率σ_Total可以由Kubo公式獲得：

其中：

其中e為電子電荷，ξ是能級，h是普朗克常數，ω是輻射頻率，k_B是波爾茨曼常數，T是溫度，μ_C是化學勢，化學勢可以通過摻雜和加載電壓來調節(jié)。

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面碳納米材料，其厚度只有單個碳原子層厚，并且擁有優(yōu)異的力學、電學和光學特性，例如，石墨烯具有極高的電子遷移率(室溫下約為15000cm²V^-1s^-1)，超寬的光譜吸收范圍以及可調控的電子濃度等特性，在光電子學方面具備很大的潛力，尤其對于光電調制器、光電探測器等集成器件的研制。

現(xiàn)階段以硅作為光調制材料的硅基調制器，雖然在光調制解調方面發(fā)展迅速，然而由于存在弱電吸收效應，硅基調制器始終存在難以克服的低調制速率和大占用空間的技術難題，嚴重制約波導調制器的進一步發(fā)展。同時，金屬波導必然存在著歐姆損耗，這大大制約了其應用。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)混合等離子體波導有效的對二者進行了優(yōu)勢互補。近些年研究人員發(fā)現(xiàn)，如果將石墨烯材料與介質波導或者光學諧振器件相結合，可以實現(xiàn)高性能可調光學調制器。

實用新型內容

針對上述問題，本實用新型提供了一種基于石墨烯的混合等離子體光學調制器。

本實用新型提供的技術方案是：

一種基于石墨烯的混合等離子體光學調制器，包括兩個電介質偏置納米線、一個金屬納米線、覆蓋納米線的波導包層、雙層石墨烯、兩個金屬電極及雙層石墨烯層之間的電容填充物；所述雙層石墨烯沿水平方向安置于一個金屬納米線的兩邊；所述雙層石墨烯沿水平方向安置于兩個電介質納米線的中間；所述的金屬電極包括第一金屬電極和第二金屬電極，所述雙層石墨烯層的內側分別與兩個金屬電極相連接，其中第一金屬電極位于雙層石墨烯層第一層內側的一端，第二金屬電極位于雙層石墨烯層第二層內側的另一端；所述雙層石墨烯在金屬電極的電信號驅動下實現(xiàn)對光波導信號的調制。

進一步的，所述波導包層的材料折射率低于電介質偏置納米線、金屬納米線的材料折射率；所述波導包層的材料為二氧化硅、或有機聚合物材料中的一種。

進一步的，所述電介質偏置納米線的材料為光波導材料硅、四氮化三硅中的一種，所述電介質偏置納米線的半徑尺寸控制于50納米至200納米范圍內。