CN104020589B - 一种石墨烯电光调制器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯电光调制器结构，包括光线角度调节部分、石墨烯和共振背反射栅极结构，所述光线角度调节部分由较高折射率的棱镜和较低折射率的介质层构成，石墨烯由较高掺杂的单层或多层石墨烯构成，底层为由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，石墨烯和底层之间设有一定厚度的间隔层，同时光线角度调节部分、底层或间隔层植入透明电极层也作为栅极，或是利用底层的金属薄膜构成栅极。本发明能有效地通过调整石墨烯和栅极之间的栅压来调控石墨烯对红外和可见光频率范围内偏振光的吸收，从而调控光的偏振性或是光的强度，以制作低功耗和高效的电光调制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种电光调制器结构，尤其涉及一种低功耗共振背反射石墨烯电光调制结构，属于电光调制技术领域。
背景技术
光调制器在过去几十年间得到了快速的发展，各种各样的调制方法不断涌现，如机械调制,电光调制,声光调制,磁光调制和电源调制等。其中电光调制器开关响应速度快，结构简单，易于集成。因此，电光调制器在激光通信等方面具有重要的应用。
然而在传统电光调制器中主要基于材料的非线性光学特征，即通过外加电场来调控非线性光学材料的介电常数。由于光学材料的非线性系数通常较小，如要实现有效的光调制，需要较大的电压来调控，从而功耗较大，且调制速度比较慢，调节带宽较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共振背反射石墨烯电光调制结构，本发明可在较小的电场下有效的调控石墨烯对光的吸收和反射，结构简单，可以有效地降低电光调制的功耗和成本，提高调控速度和带宽。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种石墨烯电光调制器结构，包括光线角度调节部分、石墨烯层和共振背反射背栅极结构。石墨烯层由较高掺杂的单层或多层石墨烯构成，石墨烯层之上是由较高折射率的棱镜和较低折射率的介质层构成的光线角度调节部分，通过折射将入射光转换为大角度倾斜入射到石墨烯层；石墨烯层之下为透明绝缘层，绝缘层之下为透明电极层，绝缘层和透明电极层构成的一定厚度的间隔层；底层为由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，同时光线角度调节部分或底层或间隔层植入透明电极层作为栅极，或是利用底层的金属薄膜构成栅极。间隔层、背反射镜和栅极构成共振背反射背栅极结构。
所述背反射镜由多层介质反射镜或金属薄膜构成。多层介质布拉格反射镜由两种介质交替构成，其折射率分别为n1和n2，两种介质的厚度分别为λ0/4n1和λ0/4n2，其中λ0为特征波长，由石墨烯电光调制器工作波段的中心波长和入射光角度决定。
所述间隔层为透明介质层，其厚度由石墨烯电光调制器工作波段的中心波长、入射光角度和背反射镜决定。
作为本发明的进一步优选，所述光线角度调节部分由较高折射率n3的棱镜和较低折射率n4的介质层构成。由光折射公式可知在这两者界面处光线的入射角θ3和折射角θ4满足n3sinθ3＝n4sinθ4，由于n3>n4，折射角大于入射角，此结构可以将入射光转换为大角度倾斜入射到石墨烯层。且与已有文献报道不同，在本发明中满足sinθ3<n4/n3，光在石墨烯层表面的传播角度小于90度，不会出现全反射现象。同时，较低折射率的介质层的厚度较厚以消除光在本层的干涉。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.本发明基于目前极为成熟的多层膜技术，并采用简单有效的光线调控系统，制作简单。且能有效地通过电压来调控石墨烯的光吸收或反射。
2.本发明通过电压调节石墨烯的费米能级来调控石墨烯的光吸收，与传统的非线性光学材料相比，调控所需要的功耗较小，带宽很宽。有利于制作低功耗高带宽的电光调制器。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为实施例1所述石墨烯电光调制器的电压调控。
图3为实施例1所述石墨烯电光调制器的电压调控。
图4为实施例2所述石墨烯电光调制器的电压调控。
在图中 1、棱镜 2、低折射率厚介质层 3、石墨烯层 4、绝缘层 5、透明电极层 6、背反射镜 7、遮光板。
具体实施方式
如图1所示，一种石墨烯电光调制器结构，在光传播线路上依次设置棱镜(1)、低折射率厚介质层(2)、石墨烯层(3)、间隔层绝缘层(4)和透明电极层(5)构成的间隔层、背反射镜(6)，所述棱镜(1)可以是但不限于三棱镜或半圆柱形棱镜，同时将低折射率厚介质层(2)或背反射镜(6)的多层介质或绝缘层(4)植入透明电极层(5)作为栅极，或是利用底层的金属薄膜构成栅极，光在石墨烯层(3)表面入射角为80-90度倾斜入射。为便于理解，下面结合具体实施例进一步说明本发明的优选实施方式。
实施例1
光线角度调节部分设计如下：棱镜(1)采用折射率为1.6的玻璃材料三棱镜，三棱镜顶角86度。低折射率厚介质层为MgF2，相应折射率为1.37。间隔层为30nmSiO2和297nm低掺杂ZnO薄膜，相应SiO2折射率为1.44，ZnO的折射率为1.93。电压加在ZnO层和石墨烯层之间，石墨烯费米能级为436.5meV。背反射镜为SiO2和Si交替分布的布拉格反射镜。入射光为TE模(电场分量平行于界面)，波长1.55微米，入射垂直于三棱镜边，激光光斑直径3mm。
通过计算模拟可得此出射光强度O/O0随ZnO层和石墨烯层之间电压的变化情况，O0是电压为0时的情况。具体结果参照图2中的201线。在本发明中，栅压改变不到10伏时，既可实现调控。
通过计算模拟可得此不同电压下出射光强度O随波长的变化情况，具体结果参照图3中的301线(电压-5伏)、302线(电压0伏)、和303线(电压5伏)。可见此有调制器较大的带宽，带宽可以接近50nm。
实施例2
光线角度调节部分设计如下：棱镜(1)采用折射率为1.6的玻璃材料半圆柱形棱镜。低折射率厚介质层为MgF2，相应折射率为1.37。间隔层为30nm SiO2和297nm低掺杂ZnO薄膜，相应SiO2折射率为1.44，ZnO的折射率为1.93。电压加在ZnO层和石墨烯层之间，石墨烯费米能级为436.5meV。背反射镜200nm银薄膜。入射光为TE模(电场分量平行于界面)，波长1.55微米，入射角47度，激光光斑直径3mm。
通过计算模拟可得此出射光强度O/O0随ZnO层和石墨烯层之间电压的变化情况，O0是电压为0时的情况。具体结果参照图4中的401线。在本发明中，栅压改变不到10伏时，既可实现调控。
Claims (2)
1.一种石墨烯电光调制器结构，包括光线角度调节部分、石墨烯层和共振背反射背栅极结构，其特征是所述石墨烯层之上是由棱镜和介质层构成的光线角度调节部分，石墨烯层之下为透明绝缘层，绝缘层之下为透明电极层，绝缘层和透明电极层构成的一定厚度的间隔层，底层为由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，同时光线角度调节部分或底层或间隔层植入透明电极层作为栅极，或是利用底层的金属薄膜构成栅极，间隔层、背反射镜和栅极构成共振背反射背栅极结构。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯电光调制器结构，其特征是光在石墨烯层表面的入射角为80-90度倾斜入射。
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