CN106940461B - 一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，包括多个串联连接的硅波导；所述硅波导采用十字结构并且其上表面覆盖石墨烯，每一个硅波导包括一中间部分以及设置于中间部分沿着串联方向两端的输入输出端口，所述中间部分的宽度大于所述输入输出端口的宽度形成所述十字结构；所述串联连接的硅波导放置于二氧化硅基底的上表面，并对每一级硅波导上表面的石墨烯施加一外加电场；所述外加电场的电压沿着串联连接的方向依次减少，使得每一级石墨烯与硅波导的复合结构所能够吸收的光子阈值频率依次降低；每一级石墨烯与硅波导的复合结构将其吸收的光子转换为电信号实现分光和光电转换。本发明提出一种结构简、重量轻、速度快和可靠性高的分光器件结构。

Description

一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种分光器件。
背景技术
光纤连接器、分光器件等是光传输系统的关节，传统的光子分光器件尺寸大，适用波长范围窄，同时频带不可调，耦合效率低，此石墨烯与硅波导复合结构是我们提出并实现的一种新型微型分光器件,是一种可与探测器匹配并共同构成结构简、重量轻、速度快和可靠性高的微型光谱仪的新型分光方式。我们所设计的此结构具有以下优点：
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是克服传统分光器件的缺点，提出一种结构简、重量轻、速度快和可靠性高的分光器件结构。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，包括多个串联连接的硅波导；所述硅波导采用十字结构并且其上表面覆盖石墨烯，每一个硅波导包括一中间部分以及设置于中间部分沿着串联方向两端的输入输出端口，所述中间部分的宽度大于所述输入输出端口的宽度形成所述十字结构；
所述串联连接的硅波导放置于二氧化硅基底的上表面，并对每一级硅波导上表面的石墨烯施加一外加电场；所述外加电场的电压沿着串联连接的方向依次减少，使得每一级石墨烯与硅波导的复合结构所能够吸收的光子阈值频率依次降低；每一级石墨烯与硅波导的复合结构将其吸收的光子转换为电信号实现分光和光电转换。
在一较佳实施例中：所述石墨烯经过激光切割与硅波导的上表面完全贴合；每一级石墨烯与硅波导的复合结构的石墨烯通过欧姆接触与电场的正电极相连。
在一较佳实施例中：每个十字结构的硅波导分别具有一个输入端和三个输出端；输入端与光源或上一级硅波导的输出端连接、所述输出端连接光谱仪或者下一级硅波导的输入端。
在一较佳实施例中：还包括一传输适配器；所述传输适配器的两端面分别为圆形和矩形；所述形状为圆形的端面与光源或光谱仪通过光纤连接，形状为矩形的端面与硅波导的输入端或输出端零距离耦合。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明提供的一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件：利用硅波导和石墨烯符合结构其吸光阈值频率可调的优点，适用于红外波段宽，实现器件的频率调谐和分光功能，效率极高。石墨烯与硅结合，可以增强与光的相互作用。
石墨烯由于带间光学跃迁使其具有新颖的光电特性，外加电场可使石墨烯的费米能级偏离电中性点，使其对光能的吸收产生一个带间跃迁的阈值频率。
因零带隙特性，光与石墨烯的相互作用强烈，与其他化合物半导体相比较，石墨烯有着更好的带间光学跃迁，同时也使得石墨烯的光吸收是宽波段的，工作波长范围完全覆盖了近红外全波段，此外，由于零带隙特性，石墨烯拥有极高的载流子迁移率，室温下高于15000，是目前已知载流子迁移率最高的材料。极高的载流子迁移率使得石墨烯的费米能级可迅速通过带填充调制。
在近红外波段780nm-1550nm范围内，石墨烯的超高电子率，外加合适电压，石墨烯的能带隙被打开，致使其费米能级发生变化，改变其电导率，改变石墨烯带间带内的吸收率，因此改变石墨烯对红外光的吸光度。
2.首次提出矩形和圆柱形传播的适配器，且使输入输出损耗小。在未来的光波导电子器件中，小型化、集成化是必然趋势，石墨烯具有特殊的电子、光学、能带特性。由于基于量子阱斯塔克效应或者体吸收效应的材料本身较弱的光电特性，使得硅基等的体积偏大，因此能找到一个能与现有CMOS工艺兼容，同时具有足够的调制强度的分光器等，这对光学领域发展意义重大。
3.此结构集成方便，微纳结构精巧，取代光谱仪器等的分光与光电转换部件，对实现光谱仪的微型化具有决定性意义。
附图说明
图1为本发明优选实施例的整体结构图；
图2为本发明优选实施例中硅波导的串联示意图；
图3为本发明优选实施例中硅波导与基底的位置示意图；
图4为本发明优选实施例中传输适配器的结构图；
图5为本发明优选实施例中传输器适配器的透射率曲线图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1-5所示，一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，包括三个串联连接的硅波导1；所述硅波导1采用十字结构并且其上表面覆盖石墨烯，每一个硅波导1包括一中间部分11以及设置于中间部分11沿着串联方向两端的输入输出端口12、13，所述中间部分11的宽度大于所述输入输出端口12、 13的宽度形成所述十字结构；
本实施例中，中间部分11的具体尺寸为：X轴宽30um，Y轴深30um，Z轴高15um。输入输出端口12、13的具体尺寸为：X轴宽10um，Y轴深10um，Z 轴高15um的长方体。
所述串联连接的硅波导1放置于二氧化硅基底2的上表面，并对每一级硅波导1上表面的石墨烯施加一外加电场；
具体结构为：所述石墨烯经过激光切割与硅波导1的上表面完全贴合；每一级石墨烯与硅波导1的复合结构的石墨烯1通过欧姆接触与电场的正电极相连。所述外加电场的电压U1、U2、U3沿着串联连接的方向依次减少，使得每一级石墨烯与硅波导1的复合结构所能够吸收的光子阈值频率f1、f2、f3依次降低；每一级石墨烯与硅波导1的复合结构将其吸收的光子转换为电信号实现分光和光电转换。
外加电场可使石墨烯的费米能级偏离电中性点(偏离大小只有几百meV，对应于光子频率为红外波段)，使其产生带间跃迁。只有能量大于阈值的光子，才会被石墨烯吸收。通过石墨烯与十字波导集成增加作用光程的方法，可以使入射光中大于阈值能量的部分被全部吸收。设计多级串联对石墨烯外加电场的结构，分别施加不同外电压U1、U2、U3(U1>U2>U3)，对应红外波段阈值频率 f1、f2、f3(f1>f2>f3)，则第一级结构对入射光中频率大于f1的光子吸收；能量小于f1的光子进入下级结构，而下级结构对应的阈值频率为f2，即只对光子频率大于f2的光子可收产生带间跃迁，而通过第二级结构的十字波导；频率小于f2的光子进入下级结构，而下级结构对应的阈值频率为f3，即对光子频率大于f3的光子可收产生带间跃迁。这样，该三级串联结构等同于一个窄带滤波与光电转换集成的器件，将频率在f1、f2、f3之间的光波分离出来并转换成电信号，即实现器件的分光与光电转换。
石墨烯的特性参数电导率是随外电场变化而变化的。
石墨烯的电导率公式如下：
其中e为电子电量，为约化普朗克常数，fd(ε)是费米狄拉克分布，ω为角频率，μc为化学势，T表示温度，Γ为散射率。
石墨烯的化学势与载流子的浓度关系可以表示为如下所示:
其中ns为载流子浓度，vF为费米速度。
由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的，所以我们可以通过改变石墨烯的化学势得到相应的介电常数。所以我们可以改变电场的电压，改变石墨烯的化学势，由此改变其介电常数，最终改变石墨烯的光电特性，表现为光谱吸收特性的变化。
每个十字结构的硅波导1分别具有一个输入端12和三个输出端13；输入端12与光源或上一级硅波导1的输出端13连接、所述输出端13连接光谱仪或者下一级硅波导1的输入端12。利用石墨烯实现分光与光电转换纳米结构集成器件是光学领域的重要组成部分，基于石墨烯与硅波导复合结构的分光器件，此结构具有抗干扰能力强、使用范围广、操作简便的优点，使其具有更大的应用空间。
本实施例中，还包括一传输适配器3；所述传输适配器3的两端面分别为圆形和矩形；所述形状为圆形的端面与光源或光谱仪通过光纤连接，形状为矩形的端面与硅波导1的输入端或输出端零距离耦合。其结构尺寸为：圆柱端直径24um，波导耦合端是长方体，尺寸是X轴宽10um，Y轴深5num，Z轴高15nm，过渡长度是50um。很多波导的耦合效率极低，锥形光纤耦合或者光栅结构一般耦合效率都低于60％，此结构使输入输出的耦合效率达到最大。将光源光纤与适配器圆柱端连接，平缓过渡到矩形端面，矩形面耦合进波导，再通过对称的结构将经过波导的光最大化的耦合出，使微观波导和宏观光源完美的结合起来。本发明可工作于多个频点,重量轻,加工方便,易于集成,具有良好的应用前景。
如图5所示，显示输出近红外光谱中耦合效率在900nm-1500nm波段参数接近甚至高于60％(-40dB)时，传输适配器的波导传输系数，两个变量P0,Pi分别是指传输适配器3输出端的光功率和输入端的光功率。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，应当指出，在不脱离本发明的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，其特征在于：包括多个串联连接的硅波导；所述硅波导采用十字结构并且其上表面覆盖石墨烯，每一个硅波导包括一中间部分以及设置于中间部分沿着串联方向两端的输入输出端口，所述中间部分的宽度大于所述输入输出端口的宽度形成所述十字结构；
所述串联连接的硅波导放置于二氧化硅基底的上表面，并对每一级硅波导上表面的石墨烯施加一外加电场；所述外加电场的电压沿着串联连接的方向依次减少，使得每一级石墨烯与硅波导的复合结构所能够吸收的光子阈值频率依次降低；每一级石墨烯与硅波导的复合结构将其吸收的光子转换为电信号实现分光和光电转换。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，其特征在于：所述石墨烯经过激光切割与硅波导的上表面完全贴合；每一级石墨烯与硅波导的复合结构的石墨烯通过欧姆接触与电场的正电极相连。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，其特征在于：每个十字结构的硅波导分别具有一个输入端和三个输出端；输入端与光源或上一级硅波导的输出端连接、所述输出端连接光谱仪或者下一级硅波导的输入端。
4.根据权利要求3所述一种基于石墨烯与硅波导的复合结构的分光器件，其特征在于：还包括一传输适配器；所述传输适配器的两端面分别为圆形和矩形；所述形状为圆形的端面与光源或光谱仪通过光纤连接，形状为矩形的端面与硅波导的输入端或输出端零距离耦合。
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