CN107908020B - 基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器 - Google Patents
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Abstract
基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，涉及等离激元波导调制器。由7层结构构成，从上至下依次为上基底、上介质层、偏压层、中介质层、石墨烯导带、下介质层和下基底；所述上基底和下基底的中央具有对称的渐变形凸起结构，分别向中间的上介质层和中介质层延伸，可实现增强波导的模式束缚性能，所述上基底和下基底的边缘具有抛物线型、双曲线型、椭圆型、正弦型、余弦型或其它能够实现基底边缘渐变调制的曲线，且其渐变宽度与上基底和下基底延伸出的部分宽度一致，改变该宽度能实现不同程度的调制，偏压层与石墨烯导带的平面留有上介质层、中介质层和下介质层，目的是为了让偏压层和石墨烯导带的平面形成相应的电场。
Description
技术领域
本发明涉及等离激元波导调制器，尤其是涉及基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器。
背景技术
中红外波(Mid-infrared waves)一般是指频率介于12～120THz，波长介于2.5～25μm范围内的电磁波。表面等离激元是由耦合到沿着金属和电介质之间的界面传播的集体电子振荡的光场构成的电磁模式。这种作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体震荡，形成金属和电介质的表面电磁波，它们的场强在界面处最大，并且沿垂直于它的方向指数地衰减。表面等离激元能够在亚波长范围内限制和控制电磁波，具有近场增强特性，在芯片级集成光子电路具有极大的应用潜力。众所周知，金属良导体可以传输近红外、可见光和紫外线等波段的等离激元，然而，对中红外频段频率低端的等离激元波的束缚性却十分有限。石墨烯(Graphene)是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维材料，其面内碳原子通过强σ键连接，而相邻层仅受到薄弱的范德华力的影响。独特的晶体结构赋予石墨烯非凡的电子，光学，热学和机械性能，被认为是从太赫兹到中红外光谱区域最有希望的等离子体激元材料之一。此外，石墨烯电导率可以通过静电门控或化学掺杂的方式进行调节，因而基于石墨烯的等离子激元波导具有基于常规金属的等离子激元波导无法实现的电学特性，这使得石墨烯成为可调控等离子体激元功能器件的绝佳平台。目前，国内外已经研究了许多基于石墨烯的光学器件，包括光电探测器、超快激光器、偏振控制器、转换光学器件及等离子体激元波导调制器等。例如，2011年Liu M等人发表在Nature上的论文(LiuM,Yin X,Ulin-Avila E,Geng B,Zentgraf T,Ju L,et al.A graphene-based broadbandoptical modulator.Nature.2011；474:64–7.)提出了一种基于石墨烯的集成硅波导光学调制器，实现了0.1dB/μm的调制深度；2012年，Koester SJ等人发表在Applied PhysicsLetters上的论文(Koester SJ,Li M.High-speed waveguide-coupled graphene-on-graphene optical modulators.Appl Phys Lett.2012；100:171107.)研究说明，将石墨烯放置于波导结构中场强最大处可实现高调制深度的波导调制器，并提出一种可以实现3.75dB/μm调制深度的石墨烯波导调制器结构。然而，现阶段研究的波导调制器涉及光波频段的较多中红外频段较少，并且波导调制器大多只能够实现3～5dB/μm的调制深度，即使实现了更高调制深度则是以增加传播损耗为代价的，无法实现低损耗长距离传输，但是随着通信技术的飞快发展，对既可以实现低损耗长距离传输又能够实现大调制深度的波导调制器需求尤为迫切，这就对调制性能更加优越又能兼顾长距离传输的波导调制器的研究提出了更大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于为了实现对中红外表面等离激元低损耗长距传输并对传输特性进行高效率大范围调节，提供基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器。
本发明由7层结构构成，从上至下依次为上基底、上介质层、偏压层、中介质层、石墨烯导带、下介质层和下基底；所述上基底和下基底的中央具有对称的渐变形凸起结构，分别向中间的上介质层和中介质层延伸，可实现增强波导的模式束缚性能，所述上基底和下基底的边缘具有抛物线型、双曲线型、椭圆型、正弦型、余弦型或其它能够实现基底边缘渐变调制的曲线，且其渐变宽度与上基底和下基底延伸出的部分宽度一致，改变该宽度能实现不同程度的调制，偏压层与石墨烯导带的平面留有上介质层、中介质层和下介质层，目的是为了让偏压层和石墨烯导带的平面形成相应的电场。
所述上基底和下基底可为硅或有着较高介电常数的材料，目的是为了更好地将场束缚在介质中的单层石墨烯上进行传播。
所述上介质层、中介质层和下介质层的材料可为Topas或二氧化硅等相对介电常数较低的绝缘体。
所述偏压层的材料可为多晶硅或介电常数接近上介质层、中介质层和下介质层的介电常数的半导体材料。
所述石墨烯层导带可为单层石墨烯，能够导引传播具有束缚强度极强的中红外表面等离激元，利用其所良好的电导率可调性，能够在较大范围内灵活调节此波导调制器的调制深度。
本发明提出的一种基于石墨烯的中红外等离激元波导结构能够在15THz频率下实现12.73dB/μm的调制深度，并且能够在0.5eV化学势下达到8.42μm的传播长度，结构简单，调控容易，通过尺度变换易于实现性能的频谱搬移，对于研究基于石墨烯的太赫兹，远红外，中红外，近红外波导调制器具有重要的意义。
本发明的工作原理为：
本发明为一种基于石墨烯加载的具有渐变形凸起结构硅基底的等离激元波导调制器，将石墨烯放置于波导层的中央，由于其结构特点，中红外等离激元将被极大地束缚在单层石墨烯上，从而可以提高石墨烯电导率可调性对等离激元传输特性的影响。通过偏置层施加偏压改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的电导率，进而能够改变波导的传播损耗和传播距离，即可实现对表面等离激元调制深度的调节作用。
本发明的有益效果是：
1)本发明不仅是一个深度可调的中红外等离激元波导调制器，而且还是一个在中红外频段的低损耗长距离传播的离激元波导。
2)本发明利用石墨烯的电可调性，能够在不改变波导几何结构的情况下实现极高调制深度。
3)本发明特地为石墨烯层上方添加了一层偏压层，易于施加偏置电压，方便对整片单层石墨烯化学势的灵活调控。
4)本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换能够用于太赫兹、远红外、可见光或其它频段的电磁的传输与调控。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例在15THz，0.5eV化学势下基模场图。
图3是本发明实施例在15THz频率不同化学势下的传播距离曲线图。
图4是本发明实施例在15THz的频率下0.1～0.5eV不同化学势的传播损耗曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本发明。
根据本发明的一个实施例如图1所示，其主要由7层结构构成，从上至下依次为上基底1、上介质层2、偏压层3、中介质层4、石墨烯导带5、下介质层6和下基底7；所述上基底1和下基底7的中央具有对称的渐变形凸起结构，分别向中间的上介质层2和中介质层4延伸，可实现增强波导的模式束缚性能，所述上基底1和下基底7的边缘8具有抛物线型、双曲线型椭圆型、正弦型、余弦型或其它能够实现硅基底高度渐变调制的曲线，本发明采用的是抛物线形式；所述介质层可采用环烯烃共聚物Topas或者其他绝缘材料；所述基底可选用硅或介电常数较高的材料。所述波导结构如图1所示，相应的参数为：硅基底宽度W1＝5μm，单侧非渐变区厚度h4＝600nm，其抛物线部分宽度W2＝600nm，两对称硅基底正中央抛物线边缘与单层石墨烯距离t1＝200nm，偏压层厚度为h1＝100nm，Topas介质层厚度h2＝1200nm，偏压层与石墨烯平面之间填充的介质层厚度h3＝20nm。在15THz频率下，石墨烯化学势EF＝0.5eV，采用表面电流法导入石墨烯电导率参数来进行数值模拟仿真，基模电场分布如图2所示，大部分电场都被束缚在了石墨烯层上，说明本发明能够实现对中红外表面等离激元的高束缚传输。本发明实施例在15THz频率不同化学势下的传播距离曲线图如图3所示。同样的，当化学势EF由0.1eV变化到0.5eV的传播损耗曲线如图4所示，可见本发明的传播损耗随着化学势的升高反而降低了，其基模在此频率下能够实现传播损耗从13.25dB/μm减小到0.52dB/μm，实现了12.73dB/μm的调制深度，而且在0.5eV化学势，15THz频率下能够达到8.42μm的传播距离，本发明是一种兼具高调制深度的又可以实现低损耗长距离传播、性能优良的中红外等离激元波导调制器。
所述上介质层2、中介质层4和下介质层6的材料为Topas或二氧化硅等绝缘体。
所述上基底1和下基底7为硅或有着较高介电常数的材料，目的是为了更好地将场束缚在介质中的单层石墨烯上进行传播。
所述偏压层3的材料为多晶硅或介电常数接近上介质层2、中介质层4和下介质层6的介电常数的半导体材料。
所述石墨烯层导带5为单层石墨烯，能够导引传播具有束缚强度极强的中红外表面等离激元，利用其所良好的电导率可调性，能够在较大范围内灵活调节此波导调制器的调制深度。
本发明公开一种基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，利用石墨烯具有电可调的特性，通过施加偏置电压就能改变石墨烯的电导率，进而可以实现对表面等离激元的传输与调控。本发明兼具低传输损耗(传播距离高达8.42μm)、高调制深度(高达12.73dB/μm)的优点，是一种极具潜力的中红外表面等离激元波导调制器。
Claims (4)
1.基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，其特征在于由7层结构构成，从上至下依次为上基底、上介质层、偏压层、中介质层、石墨烯导带、下介质层和下基底；所述上基底与上介质层交界的两边呈直线结构，中间具有凸起结构且其边缘向上介质层延伸；所述下基底与下介质层交界的两边呈直线结构，中间具有凸起结构且其边缘向下介质层延伸；所述上基底和下基底的中间凸起结构具有上下对称性，凸起结构边缘具有抛物线型、双曲线型、椭圆型、正弦型或余弦型渐变调制的曲线，且其渐变宽度与上基底和下基底延伸出的部分宽度一致，偏压层与石墨烯导带的平面留有上介质层、中介质层和下介质层；所述上基底和下基底为硅材料。
2.如权利要求1所述基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，其特征在于所述上介质层、中介质层和下介质层的材料为Topas或二氧化硅。
3.如权利要求1所述基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，其特征在于所述偏压层的材料为多晶硅或介电常数接近上介质层、中介质层和下介质层的介电常数的半导体材料。
4.如权利要求1所述基于石墨烯的中红外等离激元波导调制器，其特征在于所述石墨烯层导带为单层石墨烯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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