[發明專利]基于石墨烯銀納米狹縫陣列的近紅外偏振調控器及其調控方法

在審

• 申請號: 202210166940.2
• 申請日: 2022-02-23
• 公開（公告）號: CN114488577A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 王瑞;王欽華
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01;G02B5/00
• 代理公司: 蘇州博格華瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 32558
• 代理人: 匡立嶺

本發明公開了基于石墨烯銀納米狹縫陣列的近紅外偏振調控器及其調控方法，首次在近紅外波段提出了基于石墨烯金屬等離子體共振的偏振調制器件，結構采用簡單的一維超薄銀納米狹縫陣列來激發SPPs共振同時獲得集中的電場分布，從而增強石墨烯在近紅外的調制能力。對于偏振方向與狹縫方向呈35°夾角的正入射光，可以通過施加柵極電壓來調節石墨烯的費米能級以實現反射光斯托克斯參量S₃從1到?1的連續可調，即偏振態從RCP連續地調節為LCP。該器件在偏振操控和偏振復用領域有著重要的應用前景。

技術領域

本發明涉及微納光學領域或偏振操控與偏振復用領域，尤其涉及基于石墨烯銀納米狹縫陣列的近紅外偏振調控器及其調控方法。

背景技術

偏振是光的基本特性，對光偏振的操縱在通信、成像、探測和全息等領域都發揮著重要作用。傳統的偏振操縱器件主要包括基于法拉第效應和克爾效應的旋光器件或是基于某些天然晶體雙折射效應制備的波片。由于天然材料的電磁響應一般較弱，需要較長的光程進行相位積累，這導致器件體積一般較大難以集成，而且功能單一固定無法動態調節。能在光通訊波段動態全面的動態調節光的偏振態的微型電光器件將在偏振復用領域有很好的應用前景。石墨烯與超表面的結合為這一問題的解決提供了一個方案。

超表面作為人工的表面材料，由不同的人造“原子”按照一定的規則在平面排布構成，這些人造“原子”與電磁波發生作用，可以在亞波長的厚度內實現對電磁波振幅，相位，偏振等特性的操控，這極大地提高了器件的微型化與集成化水平。石墨烯作為一種由單層碳原子組成的二維材料以其出色的電學光學特性成為光電子器件的研究熱點。石墨烯不僅有著從THz到可見光波段超寬帶的光學響應，而且可以通過施加柵極電壓的方式調節其費米能級從而改變石墨烯的電導率與折射率從而調節其光學響應，實現對入射光振幅與相位的動態調制這種電摻雜的調制速率很高可達GHz水平，這使得石墨烯在可調諧光電器件領域有著重要的應用。

在THz與中紅外波段石墨烯的光學響應類似于金屬，可以激發出表面等離子體激元(SPPs)，這使得石墨烯在THz與中紅外波段有著較強的調節能力。出現了基于石墨烯圖案化的超表面可調諧偏振器件如可調諧的四分之一波片,半波片，在THz與中紅外波段將石墨烯與金屬或者介質超表面結構結合可以實現對入射光的偏振狀態的動態調控，如在THz波段與金屬,介質結構結合實現半波片與波片功能的動態可調。在中紅外與金屬超表面結合實現偏振態的連續電控可調。

由于石墨烯在可見光與近紅外波段可以視為一層吸收為2.3％的超薄介質層，必須通過與超表面結構結合才能實現對入射電磁波的動態調節。目前在近紅外波段基于石墨烯的動態可調器件的研究較少且多為針對入射光振幅的動態調控，在近紅外波段還沒有關于基于石墨烯的光偏振調控器件的報導。

發明內容

本發明克服了現有技術的不足，提供基于石墨烯銀納米狹縫陣列的近紅外偏振調控器及其調控方法，將單層石墨烯與超薄銀光柵結合通過施加柵壓可實現對入射線偏振光偏振態的動態可調，該器件工作在波長為1.55μm光通信波段，在偏振操控與偏振復用領域有很好的應用前景。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：基于石墨烯銀納米狹縫陣列的近紅外偏振調控器及其調控方法，包括：偏振調制器件以及正入射光源，其特征在于：所述偏振調制器件包括依次設置的頂層，中間層，底層以及基底，所述頂層采用銀納米狹縫結構，所述中間層為SiO₂介質層，所述底層包括銀反射膜，所述基底為SiO₂基底；在光通訊波段1.4-1.7μm，所述正入射光源提供偏振角與狹縫方向角度呈現20°-60°線偏振入射光。

本發明一較佳實施例中，所述銀納米狹縫結構厚度為5-20nm，結構周期為100-200nm，狹縫寬度為5-20nm。

本發明一較佳實施例中，所述SiO₂介質層厚度為30-100nm。

本發明一較佳實施例中，所述銀反射膜以及所述SiO₂介質層的總厚度約為250-350nm。