CN105116496A - 一种基于石墨烯的光定向耦合器件 - Google Patents
一种基于石墨烯的光定向耦合器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105116496A CN105116496A CN201510640010.6A CN201510640010A CN105116496A CN 105116496 A CN105116496 A CN 105116496A CN 201510640010 A CN201510640010 A CN 201510640010A CN 105116496 A CN105116496 A CN 105116496A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- directional coupler
- layer
- thickness
- metallic film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 34
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 19
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 14
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 31
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
一种基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光发生器和光定向耦合结构；平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；光定向耦合结构从上至下依次包括含双狭缝的金属薄膜、上层二氧化硅层、石墨烯层、下层二氧化硅和背栅极；石墨烯层和背栅极之间设置有可调电源；平行光发生器产生一束TM模式电磁波斜射在双狭缝金属薄膜上，在狭缝出口表面形成耦合电磁模，该耦合电磁模在金属薄膜与石墨烯之间的上层二氧化硅介质层中传输。本发明通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光信号的耦合方向，实现了对光信号的主动控制，而且所需的功耗较小，响应速度快，具有很宽的工作频带。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的光定向耦合器件。
背景技术
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层蜂窝状晶格结构的碳质材料，它有着超宽带的光学响应谱、极强的非线性光学特性以及与硅基半导体工艺的兼容性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。在一定条件下，石墨烯表面传导电子与光子相互作用形成耦合电磁模（即，表面等离激元）。该耦合电磁模最大的优点在于其能够突破衍射极限，可作光耦合器件中的信息载体。
传统的光定向耦合器件存在不能主动控制、切换光信号，损耗高、局域程度低、尺寸较大、激发波段窄、不可调谐等不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能主动控制、切换光信号的石墨烯光定向耦合结构。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光发生器和光定向耦合结构；所述平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；所述光定向耦合结构从上至下依次包括含双狭缝的金属薄膜、上层二氧化硅层、石墨烯层、下层二氧化硅和背栅极；所述石墨烯层和背栅极之间设置有可调电源；所述平行光发生器产生一束TM模式电磁波斜射在双狭缝金属薄膜上，在狭缝出口表面形成耦合电磁模，该耦合电磁模在金属薄膜与石墨烯之间的上层二氧化硅介质层中传输。利用两狭缝产生的电磁模之间的位相差，可在不同方向实现不同的干涉现象（例如，干涉相长和干涉相消），从而达到光信号定向耦合的目的。石墨烯放置在附有p型掺杂硅介质衬底的下层二氧化硅介质上面，将p型掺杂硅介质层作为背栅极，在石墨烯与背栅极之间外加电压。改变背栅电压可调节石墨烯费米能级，石墨烯费米能级的变化影响着耦合电磁模的有效折射率，进而调控耦合电磁模之间的位相差，可在一个方向上实现由干涉相长到干涉相消之间的转换，耦合电磁模的传输方向得以主动操控。
本发明中，所述金属薄膜为银薄膜。对于入射的电磁波，银或金可视为理想导体，从而减少本发明基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。
本发明中，所述金属薄膜和上层二氧化硅的厚度均在30-100nm之间。
本发明中，所述金属薄膜的厚度为50nm，所述上层二氧化硅的厚度为40nm。
本发明中，所述背栅极为p型掺杂硅介质层，所述p型掺杂硅介质层附着在下层二氧化硅介质层的下面。
本发明中，所述下层二氧化硅的厚度在50--100nm之间，所述p型掺杂硅介质层的厚度在200-1000nm之间。
本发明中，所述下层二氧化硅的厚度为80nm；所述p型掺杂硅介质层的厚度为500nm。
上述的光定向耦合结构可通过如下过程制备：将一剥离的石墨烯转移至附有p型掺杂硅介质衬底的二氧化硅介质上，然后在石墨烯上依次沉积二氧化硅和银，最后利用电子束刻蚀技术在银膜上刻蚀俩狭缝。
与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明基于目前极为成熟的微纳刻蚀加工技术以及多层膜技术，制作过程不繁杂，操作简单。与传统的光定向耦合器件相比，石墨烯的引入大大缩小了耦合器件的尺寸。（2）本发明通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光信号的耦合方向，实现了对光信号的主动控制，而且所需的功耗较小，响应速度快，具有很宽的工作频。（3）本发明提出控制光耦合方向的结构及其原理，为今后研发具有开关、调制等多功能维纳光源奠定基础。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯的光定向耦合器件的结构示意图。
图2为实施例1的结构示意图。
图3为实施例2的结构示意图。
图例说明
1、金属薄膜；2、上层二氧化硅层；3、石墨烯层；4、下层二氧化硅层；5、背栅极；6、可调电源。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光发生器和光定向耦合结构；平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；光定向耦合结构从上至下依次设置有含双狭缝的金属薄膜1、上层二氧化硅层2、石墨烯层3、下层二氧化硅层4和背栅极5。金属薄膜1和上层二氧化硅层2的厚度只需几十纳米，它们与石墨烯层3共同构成一电磁波导；金属薄膜1可以为银薄膜或金属薄膜。下层二氧化硅层4和背栅极5的厚度分别为几十纳米和几百纳米。石墨烯层与背栅极之间设置有可调电源6，可调电源6调节电压可改变石墨烯层3内载流子浓度，进而调控它的费米能级。上述结构可通过如下过程制备：将一剥离的石墨烯转移至附有背栅极的二氧化硅介质上，然后在石墨烯上依次沉积二氧化硅和银，最后利用电子束刻蚀技术在银膜上刻蚀俩狭缝。为便于说明本结构的功能，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：
如图2所示，一束波长为30的平行光以入射角为450斜入射银薄膜上的双狭缝，入射光为TM模式电磁波（磁场分量垂直于入射面）。对于此入射波，银可视为理想导体（即电导率为无穷大）。银狭缝宽度（w）与厚度（tA）分别为40和50nm（在其他实施例中，银狭缝的厚度可以是30-100nm之间的任意厚度），狭缝之间的间距（d，缝中心间距）为10.7。上层二氧化硅层2和下层二氧化硅介质层4的厚度（ts1和ts2）分别为40和80nm（在其他实施例中，上层二氧化硅层2可以是30-100nm之间的任意厚度，,下层二氧化硅层4的厚度可以是50-100nm之间的任意厚度。），介电常数为3.9。p型掺杂的硅介质衬底厚度（tsi）为500nm（在其他实施例中，p型掺杂硅介质层的厚度可以为200-1000nm之间的任意厚度。）作为背栅极5，介电常数为11.9。石墨烯的载流子迁移率和费米速度取值分别为10000cm2/Vs和106m/s。可调电源6电压即背栅电压（VBG1）为28.5V，此时石墨烯对应的费米能级为0.87eV。根据电磁波导理论知识，在上述参数情形下，上层二氧化硅介质层内的电磁模的有效折射率为31.26。左右狭缝在上层二氧化硅层内产生的电磁模的位相值不同，右狭缝的右侧区域的俩电磁模位相差为的偶数倍（），而在左狭缝的左侧区域，俩电磁模之间的位相差为的奇数倍）。由电磁波干涉理论可知，在右狭缝的右侧区域电磁模出现干涉相长现象，而在左狭缝的左侧区域电磁模出现干涉相消现象。也就是说电磁模在上层二氧化硅层2内不会朝左传播，只能朝右定向传输。电磁能流方向朝右（图2中箭头方向），电磁定向耦合的功能得以体现。
实施例2：
如图3所示，可调电源6电压即背栅压（VBG2）为10.3V，石墨烯的费米能级为0.81eV，其余参数均与实例1相同。此时，上层二氧化硅层2内的电磁模的有效折射率为32.65，左右狭缝产生的俩电磁模在右狭缝的右侧区域的位相差为的奇数倍（），而在左狭缝的左侧区域的位相差的偶数倍）。在这种情形下，电磁模朝左传输（图3中箭头方向）。
除了实例1（2）中的背栅压值和入射角，还有许多电压值和入射角可以使电磁模向右（左）定向耦合，只要满足右（左）狭缝的右（左）侧区域干涉相长的相位条件以及左（右）狭缝的左（右）侧区域干涉相消的相位条件。背栅压值既可决定在上层二氧化硅层2内电磁模的传播方向，还可以通过调节电磁干涉方式控制电磁模的信号强度，这种主动控制与切换功能是传统光耦合器件所不具备的。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：包括平行光发生器和光定向耦合结构；所述平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；所述光定向耦合结构从上至下依次包括含双狭缝的金属薄膜、上层二氧化硅层、石墨烯层、下层二氧化硅和背栅极；所述石墨烯层和背栅极之间设置有可调电源；所述平行光发生器产生一束TM模式电磁波斜射在双狭缝金属薄膜上，在狭缝出口表面形成耦合电磁模，该耦合电磁模在金属薄膜与石墨烯之间的上层二氧化硅介质层中传输。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述金属薄膜的材料为银或者金。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述金属薄膜和上层二氧化硅的厚度均在30-100nm之间。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述金属薄膜的厚度为50nm，所述上层二氧化硅的厚度为40nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述背栅极为p型掺杂硅介质层，所述p型掺杂硅介质层附着在下层二氧化硅介质层的下面。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述下层二氧化硅的厚度在50-100nm之间，所述p型掺杂硅介质层的厚度在200-1000nm之间。
7.根据权利要求6所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述下层二氧化硅的厚度为80nm；所述p型掺杂硅介质层的厚度为500nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510640010.6A CN105116496B (zh) | 2015-10-08 | 2015-10-08 | 一种基于石墨烯的光定向耦合器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510640010.6A CN105116496B (zh) | 2015-10-08 | 2015-10-08 | 一种基于石墨烯的光定向耦合器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105116496A true CN105116496A (zh) | 2015-12-02 |
| CN105116496B CN105116496B (zh) | 2018-06-15 |
Family
ID=54664524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510640010.6A Expired - Fee Related CN105116496B (zh) | 2015-10-08 | 2015-10-08 | 一种基于石墨烯的光定向耦合器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105116496B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105700201A (zh) * | 2016-01-30 | 2016-06-22 | 中南林业科技大学 | 一种基于石墨烯的光滤波器件 |
| CN106653957A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-05-10 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法 |
| CN108387971A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-08-10 | 清华大学 | 基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件 |
| CN112285405A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-01-29 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种电光采样探头内部反射抑制方法、装置及计算设备 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101178482A (zh) * | 2007-12-03 | 2008-05-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法 |
-
2015
- 2015-10-08 CN CN201510640010.6A patent/CN105116496B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101178482A (zh) * | 2007-12-03 | 2008-05-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| DIANA C. SKIGIN AND RICARDO A. DEPINE.: "Transmission Resonances of Metalli c Compound Gratings with Subwavelength Slits.", 《PHYSICAL REVIEW LETTERS》 * |
| MENG-DONG HE, KAI-JUN WANG, LEI WANG, ET AL.: "Graphene-based terahertz tunable plasmonic directional coupler.", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 * |
| 翟翔.: "金属-介质-金属结构中表面等离子特性研究及器件设计.", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 高晓光.: "表面等离子体定向耦合器的传输特性研究.", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 高洁.: "金属狭缝结构中表面等离激元行为调控.", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105700201A (zh) * | 2016-01-30 | 2016-06-22 | 中南林业科技大学 | 一种基于石墨烯的光滤波器件 |
| CN105700201B (zh) * | 2016-01-30 | 2018-07-13 | 中南林业科技大学 | 一种基于石墨烯的光滤波器件 |
| CN106653957A (zh) * | 2016-10-27 | 2017-05-10 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法 |
| CN106653957B (zh) * | 2016-10-27 | 2018-08-10 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法 |
| CN108387971A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-08-10 | 清华大学 | 基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件 |
| CN112285405A (zh) * | 2020-09-15 | 2021-01-29 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种电光采样探头内部反射抑制方法、装置及计算设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105116496B (zh) | 2018-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105116496A (zh) | 一种基于石墨烯的光定向耦合器件 | |
| US9590739B2 (en) | High electron mobility transistor-based terahertz wave space external modulator | |
| CN105278125B (zh) | 一种石墨烯偏振不敏感电光调制器结构 | |
| CN105700201A (zh) | 一种基于石墨烯的光滤波器件 | |
| KR20130031598A (ko) | 광 도파로 | |
| WO2013146317A1 (ja) | シリコンベース電気光学装置 | |
| CN105022178A (zh) | 基于平面波导的石墨烯相位型光调制器 | |
| US10481419B1 (en) | Physically contactable graphene electro-optic modulator and method for manufacturing the same | |
| CN108231803A (zh) | 氮化硅光波导器件和石墨烯探测器集成芯片及其制作方法 | |
| CN106547121B (zh) | 一种基于石墨烯的光偏振转换器 | |
| CN107908020B (zh) | 基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器 | |
| CN106653957B (zh) | 一种表面等离激元电致激发和电学调制集成器件及其制作方法 | |
| CN103135151A (zh) | 基于超材料与半导体低维量子材料的复合结构及其应用 | |
| CN204166232U (zh) | 四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关 | |
| JP2016161890A (ja) | 光デバイス | |
| Huang et al. | Recent progress in waveguide-integrated photodetectors based on 2D materials for infrared detection | |
| CN109407210A (zh) | 一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置及制备方法 | |
| CN103246088A (zh) | 一种矩形结构的马赫-曾德尔电光调制器 | |
| Saito et al. | Si photonic waveguides with broken symmetries: Applications from modulators to quantum simulations | |
| CN204989674U (zh) | 基于石墨烯微环结构的热光调制器 | |
| CN105892105A (zh) | 基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器 | |
| Li et al. | Efficient optical modulator by reverse-biased III-V/Si hybrid MOS capacitor based on FK effect and carrier depletion | |
| CN107015384A (zh) | 基于石墨烯栅层硅波导的电光任意波形发生器 | |
| CN207833147U (zh) | 一种基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器 | |
| CN116566538B (zh) | 一种多通道和多频段的拓扑波分复用器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180615 |