CN104570204B - 一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置，包括Si基底和由Si基底氧化的SiO2介质层，其特征是，在SiO2介质层表面设有用来传播表面等离子体的石墨烯波导，石墨烯波导的一端刻蚀有激发SPPs的褶皱结构，石墨烯波导的另一端侧边的SiO2介质层填充有增益介质。这种装置能克服增加SPPs传播距离中出现的器件尺寸大、集成化难度大的瓶颈，可以克服信道中自发辐射产生的噪声损耗，成本低、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术，具体是指一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置。
背景技术
目前，表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs) 在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用，已成为宽带通讯系统、微小光子回路等领域的一种新型技术，国内外学者采用这一技术实现了多种信号传输与光子器件的设计，尤其以丹麦的Nikolajsen研究团队利用热光效应在嵌入聚合物材料的金属条上分别实现了光调制器和光开关，并采用20nm厚的金平板波导的传输损耗在光通信波长窗口低至6 dB/cm，然而这种波导的模式尺寸却达到了12μm。在大量的SPPs传播装置设计与应用的研究中，大都采用增益介质以补偿衰减实现SPPs的长距离传播。 SPPs是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPPs这种独特的性质，使其受到了国内外诸多学者的广泛重视。
《Physical Review Letters》在2005年95卷4期046802页上登载了“Channelplasmon-polariton guiding by subwavelength metal grooves” 一文，丹麦奥尔堡大学的Bozhevolnyi团队采用聚焦离子束刻蚀加工，用近场扫描光学显微镜研究发现的V形槽SPPs波导器件，他们还采用基于MIM结构设计了波分复用器以及Bragg光栅滤波器，实现了对SPPs波的滤波特性，然而其SPPs传播距离只有10几μm，这显然无法实现光子回路、光通信的应用。因此解决SPPs传播中由于欧姆效应导致的强烈衰减，依然是SPPs光子器件向实用型转变的首要目标。
目前对于SPPs激发和金属导体材料的应用研究基本集中在采用棱镜激发和贵金属方面。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置。这种装置能克服增加SPPs传播距离中出现的器件尺寸大、集成化难度大的瓶颈，可以克服信道中自发辐射产生的噪声损耗，成本低、易于实现。
实现本发明的技术方案是：
一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置，包括Si基底和由Si基底氧化的SiO2介质层，在SiO2介质层表面设有用来传播表面等离子体的石墨烯波导，石墨烯波导的一端刻蚀有激发SPPs的褶皱结构，石墨烯波导的另一端侧边的SiO2介质层填充有增益介质。
所述的石墨烯波导为石墨烯条状波导。
所述的石墨烯条状波导是在SiO2介质层中采用电子束曝光掩膜法刻蚀、刻蚀深度为600nm的石墨烯条状波导。
所述的增益介质为周期阵列结构的染料增益介质。
周期阵列结构的染料增益介质全程补偿SPPs传播损耗。
所述的周期阵列结构的染料增益介质全程补偿SPPs传播损耗，是在SiO2介质层一侧用等离子体干法刻蚀成槽后填充染料增益介质实现。
所述的染料增益介质为若丹明与吲哚五甲川菁染料以分子数比为2:1混合而成。
这种装置中由于石墨烯的低损耗、良好导体特性克服了信道中自发辐射产生的噪声损耗；褶皱衍射激发SPPs的结构不仅能够激发SPPs，还能利用SPPs波矢关系实现器件参数控制；全程补偿SPPs传播损耗的周期阵列结构的染料增益的方法在具备有机染料增益介质良好的波长适应性、高量子效率的同时采用了阵列全程损耗补偿方式增加了SPPs传播距离；石墨烯条状波导的SPPs结构为微纳光学集成、光子传感和测量等领域提供了理想的亚波长光子器件，采用的制备技术成本低、易于实现。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中 1.Si基底 2.SiO2介质层 3.入射光源 4.激发SPPs褶皱结构 5.石墨烯波导6.增益介质。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述说明，但不对本发明限定。
实施例：
参照图1，一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置，包括Si基底1和由Si基底氧化的SiO2介质层2，在SiO2介质层2表面设有用来传播表面等离子体的石墨烯波导5，石墨烯波导5的一端刻蚀有激发SPPs的褶皱结构4，石墨烯波导5的另一端侧边SiO2介质层2填充有染料增益介质6。
所述的SiO2介质层2是Si基底1在氧气环境下生成的，厚度为800nm。
所述的石墨烯波导5为石墨烯条状波导。
所述的石墨烯条状波导是在SiO2介质层2中采用电子束曝光掩膜法刻蚀、刻蚀深度为600nm的石墨烯条状波导。
所述的染料增益介质6为周期阵列结构的染料增益介质。
周期阵列结构的染料增益全程补偿SPPs传播损耗，是在SiO2介质层2一侧用等离子体干法刻蚀成增益介质槽后填充染料增益介质6实现，填充染料增益介质6用甩胶法，所述的染料增益介质6为若丹明与吲哚五甲川菁染料以分子数比为2:1混合而成，将若丹明与吲哚五甲川菁染料预先混合，以甩胶法填充增益介质槽后通过紫外光干燥。
具体地，如图1 所示，入射光源3由石墨烯波导5侧面衍射进激发SPPs褶皱结构4激发SPPs，SPPs传播中通过阵列染料增益介质6全程补偿损耗。本装置在氧气环境下由长4200nm、宽2700nm、厚900nm的Si基底1生成800nm厚的SiO2介质层2，然后采用电子束曝光掩膜法刻蚀深度达到600nm石墨烯波导5，在石墨烯波导5中采用等离子体干法刻蚀长1200nm的周期200nm激发SPPs褶皱结构4，在SiO2介质层2同样采用等离子体干法刻蚀成长2200nm的周期400nm增益介质槽，选用甩胶法填充阵列增益介质6。
Claims (1)
1.一种周期衍射褶皱激发的石墨烯波导全程补偿的表面等离子体传播装置，包括Si基底和由Si基底氧化的SiO2介质层，其特征是，在SiO2介质层表面设有用来传播表面等离子体的石墨烯波导，石墨烯波导的一端刻蚀有激发SPPs的褶皱结构，石墨烯波导的另一端侧边的SiO2介质层填充有增益介质。
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