CN108387971B - 基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，包括：纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述第一石墨烯层设置于所述波导上方；所述纳米天线阵列，用于将自由空间中满足预设偏振方向、所述可调谐定向耦合器件工作波段内的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的特定模式；所述第一石墨烯层，用于在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长。本发明提出的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件通过第一石墨烯层在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长，可实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时调谐。

Description

基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件

技术领域

本发明涉及集成光学与纳米光学技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件。

背景技术

在集成光学与纳米光学中，将各类光电子器件微型化并集成在光电子芯片上以实现光信号分量的处理与运算是当前科研与工业界的热点与前沿。其中，如何可控地将自由空间的光信号分量向介质光波导中的导模场进行灵活有效耦合是一项至关重要的课题。此外，随着科学技术的迅猛发展，通信信息传输量迅猛增长。光通信因具有宽带、大容量、性能可靠、抗干扰保密性强等优势而被广泛采用。而光信号的耦合在光通信中也具有重要作用。

现有技术中，进行光信号耦合的定向耦合器的工作波长固定，仅能对某些固定波长的光信号进行有效的定向耦合。因此，不同波长的光信号需采用对应工作波长的定向耦合器进行定向耦合，这使得对不同波长的光信号进行定向耦合时需购置多个相应工作波长的定向耦合器，成本过高。

发明内容

本发明提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，以克服现有技术中器件不可调谐以及对不同波长的光信号进行定向耦合时需购置多个相应工作波长的定向耦合器，成本过高的问题。

本发明提供一种基于纳米天线阵列与石墨烯的可调谐定向耦合器件，包括：纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述第一石墨烯层设置于所述波导上方；所述纳米天线阵列，用于将自由空间中预设偏振方向的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的特定模式进行传输；所述第一石墨烯层，用于在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长。

本发明提出的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，通过纳米天线单元可将自由空间中预设偏振方向、所述可调谐定向耦合器件工作波段内的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的特定模式进行传输，通过第一石墨烯层在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长，可实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时、灵活的电调谐。此外，本发明提出的可调谐定向耦合器件的体积较小结构紧凑，可应用于光电集成芯片上通信波段的定向耦合、偏振与波长的解复用、光传感等场景。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件横截面示意图；

图3为根据本发明实施例的另一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件结构示意图；

图4为根据本发明实施例的又一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件结构示意图；

图5为根据本发明实施例的再一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件结构示意图；

图6为根据本发明实施例的另一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件横截面示意图；

图7为根据本发明实施例一的石墨烯层化学势为0.9eV时，未消光传输方向上工作波长处波导模式示意图；

图8为根据本发明实施例一的第一金纳米天线单元对偏振方向分别垂直和平行于硅波导长度方向的不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图9为根据本发明实施例一的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对波导中向两个方向传输的不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图10为根据本发明实施例一的石墨烯层化学势为0.9eV时第一天线单元和第二天线单元各自单独存在时对不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图11为根据本发明实施例一的石墨烯层不同化学势下第一天线单元对不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图12为根据本发明实施例一的石墨烯层不同化学势下第二天线单元对不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图13为根据本发明实施例一的石墨烯层不同化学势下第一天线单元对不同波长光信号分量的散射初始相位曲线图；

图14为根据本发明实施例一的石墨烯层不同化学势下第二天线单元对不同波长光信号分量的散射初始相位曲线图；

图15为根据本发明实施例的石墨烯层不同化学势下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对不同波长光信号分量的耦合方向性曲线图；

图16为根据本发明实施例二的不同绝缘分隔层厚度下外加电压与石墨烯层化学势的关系曲线图；

图17为根据本发明实施例二的两个单组天线单元之间不同横向距离下对基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对耦合至波导内向左和向右传输的不同波长光信号分量的耦合率曲线图；

图18为根据本发明实施例二的两个单组天线单元之间不同横向距离下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对不同波长光信号分量的耦合方向性曲线图；

图19为根据本发明实施例二的石墨烯层不同化学势下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对不同波长光信号分量的耦合方向性曲线图；

图20为根据本发明实施例三的石墨烯层不同化学势下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对不同波长光信号分量的耦合方向性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

根据本发明的一个方面，提供一种基于纳米天线阵列与石墨烯的可调谐定向耦合器件，其特征在于，包括：纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述第一石墨烯层设置于所述波导上方；所述纳米天线阵列，用于将自由空间中预设偏振方向、所述可调谐定向耦合器件工作波长的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的特定模式；所述第一石墨烯层，用于在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长。

在本实施例中，如图1和图2所示，可调谐定向耦合器件可以由衬底11、波导12、第一石墨烯层13、纳米天线阵列14和覆层构成。波导12位于衬底11上表面；纳米天线阵列14设置于第一石墨烯层13上表面；第一石墨烯层13设置于所述波导12上表面；覆层覆盖于衬底11、纳米天线阵列14、第一石墨烯层13和波导12未被遮挡的上表面。覆层，可以采用聚甲基丙烯酸甲酯。覆层折射率大于1.4。纳米天线阵列14具有偏振选择性和散射特性。纳米天线阵列14的偏振选择性使得纳米天线阵列14仅对满足预设偏振方向的光信号分量进行散射。纳米天线阵列14的散射特性使得纳米天线阵列14对光信号分量进行散射时，对光信号分量具有振幅和相位响应。光信号分量经过纳米天线阵列14的偏振选择和散射耦合至波导12。耦合至波导12的光信号分量在波导12内定向传输至相应端口。衬底一般采用二氧化硅制备，折射率大于1.4。

本发明提出的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，通过纳米天线单元将自由空间中预设偏振方向、所述可调谐定向耦合器件工作波长的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的特定模式进行传输，通过第一石墨烯层在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波长，可实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时调谐。此外，本发明提出的可调谐定向耦合器件的体积较小，可应用于光电集成芯片上通信波段的定向耦合、偏振与波长的解复用、光传感等场景。

作为一种可选实施例，所述纳米天线阵列包括至少两个天线单元；各所述天线单元的间距设置满足耦合至所述波导中的所述工作波长的光信号分量在一个传输方向相消，在另一个传输方向高度定向传输。

在本实施例中，纳米天线阵列可以包括多个天线单元。如图3和图4所示，纳米天线阵列包括两个天线单元；如图1和图5所示，纳米天线阵列包括四个天线单元。纳米天线阵列中各天线单元具有不同的几何参数，对满足预设偏振方向的不同波长的光信号分量具有不同的振幅和相位响应。光信号分量经过纳米天线阵列的偏振选择和散射耦合至波导。在波导内同一传输方向上，同一波长下振幅相同、相位相差180度的光信号分量干涉相消。天线单元间的间距设置满足耦合至波导中的工作波长的光信号分量在一个传输方向相消时，这些不同波长的光信号分量耦合进入波导后，工作波长的光信号分量在一个传输方向上的光强度会大幅下降，在另一传输方向上不受影响，从而可实现高度定向传输。因而，通过纳米天线阵列中天线单元间距的合理设置，可实现对满足偏振方向的光信号分量高度定向耦合。

作为一种可选实施例，所述天线单元均平行于所述波导的长度方向设置；所述天线单元用于将自由空间中偏振方向平行于所述波导的长度方向的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的TM模式进行传输。

在本实施例中，天线单元具有偏振选择性。天线单元主要响应偏振方向沿天线单元长度方向的光信号分量，且对偏振方向沿天线单元长度方向的光信号分量的散射效率最高，对偏振方向垂直于天线单元长度方向的光信号分量则几乎不响应。纳米天线阵列中各天线单元长度方向平行于波导长度方向时，纳米天线阵列主要响应偏振方向平行于波导长度方向的光信号分量且光信号分量通过散射耦合进波导中的TM模式进行传输。

作为一种可选实施例，所述天线单元均垂直于所述波导的长度方向设置；所述天线单元用于将自由空间中偏振方向垂直于所述波导的长度方向的光信号分量高度定向耦合至所述波导中的TE模式进行传输。

在本实施例中，天线单元具有偏振选择性。天线单元主要响应偏振方向沿天线单元长度方向的光信号分量，且对偏振方向沿天线单元长度方向的光信号分量的散射效率最高，对偏振方向垂直于天线单元长度方向的光信号分量则几乎不响应。纳米天线阵列中各天线单元长度方向垂直于波导长度方向时，纳米天线阵列主要响应偏振方向垂直于波导长度方向的光信号分量且光信号分量通过散射耦合至波导中的TE模式进行传输。

作为一种可选实施例，所述可调谐定向耦合器件还包括电容结构；其中，所述电容结构的一个极板为所述第一石墨烯层。

石墨烯的载流子在室温下迁移率非常高。对进行化学掺杂的石墨烯外加偏置电压，可通过带填充效应迅速调制石墨烯的费米能级，进而可对石墨烯的光电参数进行高速的电控制。在本实施例中，当电容结构通电时，第一石墨烯层作为电容的一个极板，其化学势会发生变化，进而使其表面电导率发生变化。由于纳米天线阵列位于第一石墨烯层上表面，第一石墨烯层表面电导率的变化会使得纳米天线阵列的散射特性发生改变，进而改变基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的工作波长，实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时调谐。

作为一种可选实施例，所述电容结构的另一个极板为所述波导；其中，所述波导为非绝缘材料的光波导。

在本实施例中，如图2所示，电容结构可以由第一石墨烯层13、绝缘分隔层15和波导12构成。其中，绝缘分隔层15位于波导12上表面，第一石墨烯层13位于绝缘分隔层15上表面。第一石墨烯层13为单层石墨烯。波导12需采用可导电材料，优选地，采用硅波导12。硅波导12一般由SOI晶元经过刻蚀工艺制成。绝缘分隔层15用于避免波导12与第一石墨烯层13之间形成载流子传输。在本实施例中，将外加电压通过第一石墨烯层13和波导12施加至电容结构，可使得第一石墨烯层13化学势发生变化，进而使第一石墨烯层13表面电导率发生变化。由于纳米天线阵列位于第一石墨烯层13上表面，第一石墨烯层13表面电导率的变化会使得纳米天线阵列的散射特性发生改变，进而改变基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件工作波长，实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时调谐。

作为一种可选实施例，所述电容结构的另一个极板为第二石墨烯层。

在本实施例中，如图6所示，电容结构可以位于波导61上方，具体地，第一绝缘分隔层62位于波导61上表面，电容结构位于第一绝缘分隔层62上表面。电容结构可以由第一石墨烯层65、第二绝缘分隔层64和第二石墨烯层63构成。其中，第二石墨烯层63位于第一绝缘分隔层62上表面，第二绝缘分隔层64位于第二石墨烯层63上表面，第一石墨烯层65位于第二绝缘分隔层64上表面。第一石墨烯层65和第二石墨烯层63均为单层石墨烯。第二绝缘分隔层64用于避免第二石墨烯层63与第一石墨烯层65之间形成载流子传输。在本实施例中，将外加电压通过第一石墨烯层65和第二石墨烯层63施加至电容结构，可使得第一石墨烯层65化学势发生变化，进而使第一石墨烯层65表面电导率发生变化。由于纳米天线阵列66位于第一石墨烯层65上表面，第一石墨烯层65表面电导率的变化会使得纳米天线阵列66的散射特性发生改变，进而改变基于石墨烯与纳米天线阵列66的可调谐定向耦合器件工作波长，实现可调谐定向耦合器件工作波长的高速、实时调谐。

定义偏振方向正交的两种情况下，所述基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件耦合进入波导中光能量的比值为偏振选择度，则所述基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的偏振选择度高达40dB。定义某一特定偏振方向的光信号分量下，耦合进入波导沿着正向传输与反向传输光场的功率之比为耦合方向性，则所述基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性达25dB以上，可实现通信波段中自由空间与片上波导的定向光连接。定义基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性的最大值所对应的光波长为基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的工作波长，则所述基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的工作波长的可调制范围超过80nm，可覆盖目前光通信领域O、E、S、C、L的各个波段，可保证在工作范围内实现多信道的单向耦合功能。定义基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性的半高全宽为工作带宽，工作带宽可通过改变纳米天线阵列的具体设计来进行灵活调整，既可设计宽带的定向耦合功能，又可设计窄带的定向耦合器件。具体地，天线的尺寸越大，损耗也就越大，Q值也就越小，，此时谐振谱线也就约平缓，带宽较大；天线的尺寸越小，Q值越高，谐振曲线越尖锐，带宽也就越小。因此，可以通过调整天线的长、宽、高来调整带宽。窄带基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的工作波长可调谐范围可达80nm；在实现工作波长调谐的同时，实现了较窄的工作带宽，工作带宽可低于20nm，可用于将特定波长的光信号分量定向耦合进入波导中。宽带基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的的工作波长可调谐范围可达50nm，工作带宽可达60nm以上，即实际工作范围可覆盖超过110nm，可同时提供多信道的定向耦合。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

基于上述实施例提供的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，本发明实施例一提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，包括：二氧化硅衬底、高度为500nm且宽度为220nm的硅波导、厚度为5nm且折射率为2的氮化硼绝缘分隔层、石墨烯层、纳米天线阵列和折射率为1.46的聚甲基丙烯酸甲酯覆层；其中，所述纳米天线阵列包括第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元；所述第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元均为长方体，高度均为50nm，长度均为160nm，长度方向均垂直于所述硅波导长度方向；所述第一金纳米天线单元宽度为10nm，所述第二金纳米天线单元宽度为50nm；所述硅波导位于所述二氧化硅衬底上表面；所述第一石墨烯层覆盖所述硅波导上表面；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述聚甲基丙烯酸甲酯覆层覆盖于所述二氧化硅衬底、所述硅波导、所述氮化硼绝缘分隔层、所述第一石墨烯层和所述纳米天线阵列未被遮挡的上表面。

在本实施例中，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的结构如图2和图3所示。基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件通过长度方向均垂直于所述硅波导长度方向的第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元，对偏振方向垂直于硅波导长度方向的光信号分量进行散射耦合至硅波导中的TE模式进行传输。其中，在一个传输方向上，实现工作波长的光信号分量的相消，在另一个传输方向上，实现工作波长的光信号分量的传输。图7示出了石墨烯层化学势为0.9eV时，未消光传输方向上工作波长处波导模式示意图。通过调节石墨烯的化学势即可实现工作波长的高速、实时调谐。

此外，定义方向性最大的波长为可调谐定向耦合器件的中心工作波长。中心工作波长一般在两纳米天线单元的谐振波长之间。调整纳米天线单元的长度可调整纳米天线单元的谐振波长，进而调整中心工作波长。因此，可调谐定向耦合器件的默认中心工作波长，即未经石墨烯层调整时的中心工作波长，取决于纳米天线单元的长度。

图8示出了第一金纳米天线单元对偏振方向分别垂直和平行于硅波导长度方向的不同波长入射光的散射率曲线。可见，第一金纳米天线单元对偏振方向垂直于硅波导长度方向的光信号分量进行耦合，对偏振方向平行于硅波导长度方向的光信号分量几乎不耦合。进而可知，纳米天线阵列对偏振方向垂直于硅波导长度方向的光信号分量进行耦合，对偏振方向平行于硅波导长度方向的光信号分量几乎不耦合。进而说明基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件具有良好的偏振选择性。

图9示出了基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对波导中向两个方向传输的不同波长光信号分量的散射效率。可知，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件对同一波长、不同传输方向的光信号分量的散射效率不同。那么，若令沿散射效率较低的传输方向的工作波长光信号分量相消，则沿散射效率较低的传输方向的工作波长光信号分量可实现高光强的定向传输。

为了分析第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元通过散射耦合进入波导的光信号分量的相干相消情况，首先分析第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元单独存在时的散射特性。图10示出了石墨烯层化学势为0.9eV时第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元各自单独存在时对光信号分量的散射率。其中，宽度为10nm对应的曲线为第一金纳米天线单元单独存在时对光信号分量的散射率曲线，横坐标为光信号分量中各光信号分量的波长，纵坐标为散射率。散射率为利用硅波导中沿某一方向传输的光信号分量光功率对光信号分量光功率归一化的值。由图10可知，两散射率曲线相交于I点。I点处第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元具有相同的散射率，满足相干相消的必要条件。

而由因果律可得，第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元具有不同的初始散射相位，初始相位差达83.6o。第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元中心的间距为100nm时，中间间距带来的相位差累加初始相位差可使第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元的光信号分量在同一传输方向上约有π的相位差，可满足该方向相干相消的充分必要条件，从而可实现定向耦合功能。当第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元同时设置于石墨烯层上表面时，第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元之间存在微弱的耦合效应。第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元的散射效率以及初始相位相互受到微弱影响，会使基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件实际工作波长较上述I点对应波长向短波长方向稍有移动。

需要说明的是，由于石墨烯的能带结构具有对称特性，只讨论化学势为正值的情况即可涵盖一般情况，因此，在此仅分析化学势为正值的情况。上述是在石墨烯层化学势为0.9eV时对波导中光信号分量的相干相消条件的分析。图11示出了第一金纳米天线单元对不同波长光信号分量的散射率与石墨烯层化学势的关系；图12示出了第二金纳米天线单元对不同波长光信号分量的散射率与石墨烯层化学势的关系；图13示出了第一金纳米天线单元对不同波长光信号分量的散射初始相位与石墨烯层化学势的关系；图14示出了第二金纳米天线单元对不同波长光信号分量的散射初始相位与石墨烯层化学势的关系。由图11和图12可知，当石墨烯层化学势增大，第一金纳米天线单元和第二金纳米天线单元的散射率曲线中心波长均蓝移，因此两散射率曲线交点随之蓝移。如前所述，在两散射率曲线新的交点处，仍然近似满足相干相消条件，从而仍具有定向耦合功能。石墨烯层化学势的变化对基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性影响如图15所示。由图15可知，石墨烯层化学势由0升至1.8eV时，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性曲线中心波长由1.59μm平移至1.51μm。其中，该耦合器件方向性大于30，带宽约为20nm，中心波长可调谐范围为80nm。

基于上述实施例提供的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，本发明实施例二提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，包括：二氧化硅衬底、高度为240nm且宽度为640nm的硅波导、厚度为5nm且折射率为2的氮化硼绝缘分隔层、石墨烯层、纳米天线阵列和折射率为1.46的聚甲基丙烯酸甲酯覆层；其中，所述纳米天线阵列包括第三至第六金纳米天线单元；所述第三至第六金纳米天线单元均为长方体，高度和宽度均为50nm；所述第三和第四金纳米天线单元长度均为165nm，所述第五和第六金纳米天线单元长度均为200nm；所述第三至第六金纳米天线单元的长度方向均垂直于所述硅波导长度方向且呈两列分布，其中，第三和第四金纳米天线单元为一列；第五和第六金纳米天线单元为一列且第三和第四金纳米天线单元的中心间距、第五和第六金纳米天线单元的中心间距、第三和第五金纳米天线单元的中心间距以及第四和第六金纳米天线单元的中心间距均为340nm；所述硅波导位于所述二氧化硅衬底上表面；所述第一石墨烯层覆盖所述硅波导上表面；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述聚甲基丙烯酸甲酯覆层覆盖于所述二氧化硅衬底、所述硅波导、所述氮化硼绝缘分隔层、所述第一石墨烯层和所述纳米天线阵列未被遮挡的上表面。

在本实施例中，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的结构如图1和图2所示。基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件通过长度方向均垂直于硅波导长度方向的第三至第六金纳米天线单元，对偏振方向垂直于硅波导长度方向的光信号分量进行散射后耦合至硅波导中的TE模式进行传输。其中，在一个传输方向上，实现工作波长的光信号的干涉相消，在另一个传输方向上，实现工作波长的光信号的定向传输。通过调节石墨烯的化学势即可实现工作波长的可调谐。

图16示出了在不同绝缘分隔层厚度下外加电压与石墨烯层化学势的关系。可知，在通过外加电压调节石墨烯层化学势时需要考虑绝缘分隔层厚度的影响。图17示出了两个单组金纳米天线单元之间横向距离的变化对耦合至波导内向左和向右传输的光信号分量的散射率的影响。图18示出了两个单组金纳米天线单元之间横向距离的变化对基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性的影响。图19示出了石墨烯层化学势变化对基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性的影响。

基于上述实施例提供的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，本发明实施例三提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件，包括：二氧化硅衬底、高度为500nm且宽度为220nm的硅波导、厚度为5nm且折射率为2的氮化硼绝缘分隔层、石墨烯层、纳米天线阵列和折射率为1.46的聚甲基丙烯酸甲酯覆层；其中，所述纳米天线阵列包括第七金纳米天线单元和第八金纳米天线单元；所述第七金纳米天线单元和第八金纳米天线单元均为长方体，高度和宽度均为50nm；所述第七金纳米天线单元长度均为220nm，所述第七金纳米天线单元长度均为170nm；所述第七金纳米天线单元和第八金纳米天线单元长度方向均平行于所述硅波导长度方向且呈一列；所述硅波导位于所述二氧化硅衬底上表面；所述第一石墨烯层覆盖所述硅波导上表面；所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；所述聚甲基丙烯酸甲酯覆层覆盖于所述二氧化硅衬底、所述硅波导、所述氮化硼绝缘分隔层、所述第一石墨烯层和所述纳米天线阵列未被遮挡的上表面。

在本实施例中，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的结构如图2和图4所示。基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件通过长度方向均平行于硅波导长度方向的第七至第八金纳米天线单元，对偏振方向平行于硅波导长度方向的光信号分量进行散射后耦合至硅波导中的TM模式进行传输。其中，在一个传输方向上，实现工作波长的光信号分量的相消，在另一个传输方向上，实现工作波长的光信号分量的传输。通过调节石墨烯的化学势即可实现中心工作波长的可调谐。

图20示出了石墨烯层化学势的变化对基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性的影响。由图20可知，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的耦合方向性可以超过300或超过25dB，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向耦合器件的中心工作波长的移动范围超过50nm。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于纳米天线阵列与石墨烯的可调谐定向耦合器件，其特征在于，包括：纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；

所述纳米天线阵列设置于所述第一石墨烯层上表面；

所述第一石墨烯层设置于所述波导上方；

所述纳米天线阵列，用于将自由空间中预设偏振方向、所述可调谐定向耦合器件工作波段内的光信号高度定向耦合至所述波导中的预设模式；

所述第一石墨烯层，用于在外加电压的作用下改变所述可调谐定向耦合器件的工作波段。

2.根据权利要求1所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述纳米天线阵列包括至少两个天线单元；

各所述天线单元的间距设置满足耦合至所述波导中的所述工作波段的光信号在一个传输方向相消，在另一个传输方向高度定向传输。

3.根据权利要求2所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述天线单元均平行于所述波导的长度方向设置；

所述天线单元用于将自由空间中偏振方向平行于所述波导的长度方向的光信号高度定向耦合至所述波导中的TM模式进行传输。

4.根据权利要求2所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述天线单元均垂直于所述波导的长度方向设置；

所述天线单元用于将自由空间中偏振方向垂直于所述波导的长度方向的光信号高度定向耦合至所述波导中的TE模式进行传输。

5.根据权利要求1-4任一所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述可调谐定向耦合器件还包括电容结构；其中，所述电容结构的一个极板为所述第一石墨烯层。

6.根据权利要求5所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述电容结构的另一个极板为所述波导；其中，所述波导为非绝缘材料的光波导。

7.根据权利要求5所述的可调谐定向耦合器件，其特征在于，所述电容结构的另一个极板为第二石墨烯层。