CN106249442A - 一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器 - Google Patents

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朱君
徐政杰
徐汶菊
秦柳丽
傅得立
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure

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Abstract

本发明公开了一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器，其特征是，包括主波导结构和电极，所述主波导结构为顺序叠接的石墨烯‑铌酸锂‑石墨烯结构，所述铌酸锂介质层表面为周期的支节次波导结构；每个石墨烯层设有一个电极，两个石墨烯层上的电极对称设置。这种表面等离激元调制器消光比高、尺寸小，能够利用光的相位、强度以及频率进行调制，可以实现被光电探测器迅速识别、系统简化、成本低、易于实现。

Description

一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器
技术领域
本发明涉及光通信技术，具体是一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器。
背景技术
电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂(LiNb03)晶体、砷化稼(GaAs)晶体和钽酸锂(LiTa03)晶体的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。光调制器是光信号处理系统中的重要元件，探索速度高，宽带宽，体积小的可集成光学调制器是其发展的目标和方向。因而，找到一种可以与CMOS 技术兼容，并且具有足够的响应速率和调制效率的材料成为研究人员的重要研究内容。
石墨烯的优越性能使得基于石墨烯的光调制器优势显著： 石墨烯 SPP 的强局域性不仅能够增加光与石墨烯的相互作用而且能够显著压缩器件尺寸；宽带特性。近日美国莱斯大学电气与计算机工程系的Gao课题组又提出了石墨烯可以覆盖所有电通信带宽，涵盖了中、远红外区域。而美国工程院院士张翔团队在《Nano letters》发表的“Double-LayerGraphene Optical Modulator”更让研究人员看到了制作石墨烯光调制器的希望。
然而目前关于窄带滤波的研究较少，大都集中在石墨烯调制器的结构设计上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器。这种表面等离激元调制器消光比高、尺寸小，能够利用光的相位、强度以及频率进行调制，可以实现被光电探测器迅速识别、系统简化、成本低、易于实现。
实现本发明目的的技术方案是：
一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器，包括
主波导结构，所述主波导结构为顺序叠接的石墨烯-铌酸锂-石墨烯结构，所述铌酸锂介质层表面为周期的支节次波导结构；
电极，每个石墨烯层设有一个电极，两个石墨烯层上的电极对称设置。
所述周期的支节次波导结构的底面和两侧由石墨烯包裹。
所述周期的支节波导结构内填充有增益材料，填充增益材料可以提高SPP局域化效果。
所述的增益材料为二甲基亚砜（IR-140-DMSO）混合溶液，调制后的输出光强是在石墨烯、支节波导结构共同作用的结果。
所述电极为镀锌板。
所述石墨烯-铌酸锂-石墨烯结构的主波导结构层的石墨烯通过化学气相沉积法制备成带状结构。
所述的支节次波导结构通过离子束溅射刻蚀的方法制作。
主波导结构中的一部分入射光会进入支节波导结构，这部分光经过支节波导结构末端反射后将与主波导结构中的光产生相位差， 两者相互耦合，使输出光的光强产生变化，且由于铌酸锂的电光效应的存在，这样可以通过改变支节波导结构层的几何参数，实现工作频率的准确控制，从而实现光信号调制和光电集成。
这种调制器采用分层相互覆盖的方式，将石墨烯包裹在支节波导结构层周围，最后通过电子束蒸发将电极沉积在石墨烯表面。
这种调制器由于支节波导结构的干涉相长与相消过程周期性变化，这样可以通过外加电压和支节波导结构长度实现消光比的控制。
这种调制器主波导结构为典型的对称SPP波导结构，在石墨烯绝缘层两侧能够共振产生SPP现象，提高光吸收能力。
这种调制器中由于石墨烯的低损耗、良好导体特性能够克服信道中一定自发辐射产生的噪声损耗，在入射波长确定的情况下，通过改变加载在石墨烯两侧的门电压实现输出光强的控制，且由于支节次波导的滤波特性是其本身的结构参数决定，可以更有效的控制光波工作频率。
这种电调制器具有良好的消光率和调制效率，为大规模可集成光电通信器件提供了理想的亚波长微纳器件。
这种表面等离激元调制器消光比高、尺寸小，能够利用光的相位、强度以及频率进行调制，可以实现被光电探测器迅速识别、系统简化、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.第一电极 2.石墨烯 3.铌酸锂 4.周期的支节次波导结构 5.入射光 6.出射光7.第二电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器，包括
主波导结构，所述主波导结构为顺序叠接的石墨烯2-铌酸锂3-石墨烯3结构，所述铌酸锂3介质层表面为周期的支节次波导结构4；
电极，每个石墨烯层设有一个电极，两个石墨烯层上的电极对称设置，本例为对称设置的第一电极1和第二电极7。
所述周期的支节次波导结构4的底面和两侧由石墨烯2包裹。
所述周期的支节波导结构4内填充有增益材料，填充增益材料可以提高SPP局域化效果。
所述的增益材料为二甲基亚砜（IR-140-DMSO）混合溶液，调制后的输出光强是在石墨烯2、支节波导结构4共同作用的结果。
所述电极为镀锌板，本例中第一电极1和第二电极7均为镀锌板。
所述石墨烯2-铌酸锂3-石墨烯2结构的主波导结构层的石墨烯2通过化学气相沉积法制备成带状结构。
所述的支节次波导结构4通过离子束溅射刻蚀的方法制作。
主波导结构中的一部分入射光5会进入支节波导结构4，这部分光经过支节波导结构4末端反射后将与主波导结构中的光产生相位差， 两者相互耦合，使输出光的光强产生变化，且由于铌酸锂3的电光效应的存在，这样可以通过改变支节波导结构层4的几何参数，实现工作频率的准确控制，从而实现光信号调制和光电集成。
这种调制器采用分层相互覆盖的方式，将石墨烯2包裹在支节波导结构层4周围，最后通过电子束蒸发将电极沉积在石墨烯2表面。
这种调制器由于支节波导结构4的干涉相长与相消过程周期性变化，这样可以通过外加电压和支节波导结构4长度实现消光比的控制。
这种调制器主波导结构为典型的对称SPP波导结构，在石墨烯2绝缘层两侧能够共振产生SPP现象，提高光吸收能力。
这种调制器中由于石墨烯2的低损耗、良好导体特性能够克服信道中一定自发辐射产生的噪声损耗，在入射波长确定的情况下，通过改变加载在石墨烯两侧的门电压实现输出光强的控制，且由于支节次波导的滤波特性是其本身的结构参数决定，可以更有效的控制光波工作频率。

Claims (2)

1.一种周期结构的石墨烯表面等离激元调制器，其特征是，包括
主波导结构，所述主波导结构为顺序叠接的石墨烯-铌酸锂-石墨烯结构，所述铌酸锂介质层表面为周期的支节次波导结构；
电极，每个石墨烯层设有一个电极，两个石墨烯层上的电极对称设置。
2.根据权利要求1所述的周期结构的石墨烯表面等离激元调制器，其特征是，所述周期的支节次波导结构的底面和两侧由石墨烯包裹。
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