CN108490647B - 基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器 - Google Patents

基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器 Download PDF

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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波导信号探测器，包括：探测器、纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；探测器设置于纳米天线阵列上方；纳米天线阵列设置于第一石墨烯层上表面；第一石墨烯层设置于波导上方；纳米天线阵列，用于将波导中沿预设方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出波导以供探测器探测；第一石墨烯层，用于在外加电压的作用下改变可调谐定向波导信号探测器的工作波段。本发明提出的可调谐定向波导信号探测器通过石墨烯层在外加电压的作用下可实现可调谐定向波导信号探测器工作波段的高速、实时和灵活地调谐。

Description

基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器
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波导信号探测器。
背景技术
在集成光学与纳米光学中，将光信号由自由空间的光场向介质光波导中的导模场进行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。而光信号的耦合对用于进行光通信的光信号的探测中具有重要作用。
现有技术中，进行光信号探测的波导信号探测器工作波段固定，仅能对波导内波导信号探测器工作波段的光信号进行有效耦合以供探测。因此，波长位于不同波段的光信号需采用对应工作波段的波导信号探测器进行耦合以供探测，这使得对波长位于不同波段的多种光信号进行耦合以供探测时需购置多个相应波段的波导信号探测器，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波导信号探测器，以克服现有技术中对波长位于不同波段的多种光信号进行探测时需购置多个相应波段的波导信号探测器，成本过高的问题。
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波导信号探测器，包括：探测器、纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；所述探测器设置于所述纳米天线阵列上方；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，用于将所述波导中沿预设方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、所述可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出所述波导以供所述探测器探测；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波导信号探测器的工作波段。
本发明提出的基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器，通过纳米天线阵列可将将所述波导中沿特定方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、所述可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出所述波导以供所述探测器探测，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波导信号探测器的工作波段，可实现可调谐定向波导信号探测器工作波段的高速、实时和灵活地调谐。此外，本发明提出的可调谐定向波导信号探测器的体积较小结构紧凑，同时不影响被探测光信号的模式质量，可应用于片上通信波段的偏振检测、定向信号提取、光传感等场景；本发明提出的可调谐定向波导信号探测器既不需要损坏波导也不会影响非被探测光信号的模式质量或正常传输。
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波导信号探测器结构示意图；
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波导信号探测器的横截面图；
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波导信号探测器结构示意图；
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波导信号探测器结构示意图；
图5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波导信号探测器横截面图；
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波导信号探测器的横截面图；
图7为根据本发明实施例一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波导信号探测器对波导中从左向右传播和从右向左传播的不同波长光信号的耦合效率曲线；
图8为根据本发明实施例一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波导信号探测器对波导中不同波长光信号的耦合方向性曲线；
图9为根据本发明实施例一的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曲线图；
图10为根据本发明实施例一的TE模式的工作波段的光信号由基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器中波导右侧注入时的模场分布图(左)和对应的矢量图(右)；
图11为根据本发明实施例一的TE模式的工作波段的光信号由基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器中波导右侧注入后由左侧输出时的模场分布图(左)和对应的矢量图(右)；
图12为根据本发明实施例一的在石墨烯层化学势为0.2eV时基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中不同模式下从右向左传播的光信号的耦合效率曲线图。
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，提供一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器，包括：探测器、纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；所述探测器设置于所述纳米天线阵列上方；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，用于将所述波导中沿预设方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、所述可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出所述波导以供所述探测器探测；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波导信号探测器的工作波段。
在本实施例中，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波导信号探测器可以由衬底11、波导12、第一石墨烯层13、天线阵列14、探测器15和覆层构成。探测器15设置于纳米天线阵列14上方；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设置于波导12上表面；覆层覆盖于衬底11、波导12、天线阵列和探测器15未被遮挡的上表面。衬底一般采用二氧化硅制备。波导12中可调谐定向波导12信号探测器15工作波段、预设传输方向、预设偏振方向、预设模式下的光信号通过纳米天线阵列14耦合出波导12以供位于天线阵列上方的探测器15探测。纳米天线阵列14的偏振选择性使得纳米天线阵列14仅对预设偏振方向的光信号进行散射。纳米天线阵列14的散射特性使得纳米天线阵列14对可调谐定向波导12信号探测器15工作波段、预设传输方向的光信号耦合效率更高。探测器15可由光电探测器15、透镜组和滤波片组成。透镜组可以起到合理汇聚光线的作用，滤波片可以起到过滤掉某些不感兴趣波长的作用。覆层，可采用聚甲基丙烯酸甲酯。覆层折射率大于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波导信号探测器，通过纳米天线阵列可将将所述波导中沿特定方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、所述可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出所述波导以供所述探测器探测，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波导信号探测器的工作波段，可实现可调谐定向波导信号探测器工作波段的高速、实时和灵活地调谐。此外，本发明提出的可调谐定向波导信号探测器的体积较小结构紧凑，同时不影响被探测光信号的模式质量，可应用于片上通信波段的偏振检测、定向信号提取、光传感等场景；本发明提出的可调谐定向波导信号探测器既不会损坏波导也不会影响工作波段外光信号的正常传输。
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可将所述波导中沿预设方向传输的、具有特定偏振模式的、所述工作波段的光信号耦合出所述波导。
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。光信号经过纳米天线阵列的偏振选择和散射耦合出波导。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具有不同的振幅和相位响应。天线单元间的间距设置满足耦合出波导的同一波长、振幅相同、相位相差180度的光信号相消，因而，可将所述波导中沿预设方向传输的、所述工作波段的光信号耦合出所述波导。
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所述波导中以TM模式传播、偏振方向平行于所述波导的长度方向的光信号耦合出所述波导。
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，且对偏振方向沿天线单元长度方向的光信号的散射效率最高，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波导中以TM模式进行传播、偏振方向平行于波导长度方向的光信号。
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所述波导中以TE模式传播、偏振方向垂直于所述波导的长度方向的光信号耦合出所述波导。
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，且对偏振方向沿天线单元长度方向的光信号的散射效率最高，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波导中以TE模式进行传播、偏振方向垂直于波导长度方向的光信号。
作为一种可选实施例，所述可调谐定向波导信号探测器还包括电容结构；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波导信号探测器的工作波段，实现可调谐定向波导信号探测器工作波段的高速、实时和灵活地调谐。
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，所述波导为非绝缘体材料的光波导。
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16和波导12构成。其中，绝缘分隔层16位于波导12上表面，第一石墨烯层13位于绝缘分隔层16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16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波导信号探测器工作波段，实现可调谐定向波导信号探测器工作波段的高速、实时和灵活地调谐。
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、实时和灵活地调谐。
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波导信号探测器，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波导信号探测器，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，高度和宽度均为50nm，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长度为160nm，所述第二金纳米天线单元宽度为205nm；所述硅波导位于所述二氧化硅衬底上表面；所述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、所述石墨烯层和所述纳米天线阵列未被遮挡的上表面。
图7示出了在不同石墨烯层化学势下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中从左向右传播和从右向左传播的光信号的耦合效率曲线。其中，靠上方一组曲线为基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中从左向右传播的光信号的耦合效率曲线，靠下方一组曲线为基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中从右向左传播的光信号的耦合效率曲线。由图7可知，纳米天线阵列对波导中从左向右传播和从右向左传播的光信号的耦合效率相差较大，因此，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器耦合出波导的光信号基本仅为从左向右传播的光信号。图8示出了在不同石墨烯层化学势下基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器的耦合方向性曲线。其中，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器的耦合方向性为波导中从左向右传播和从右向左传播的相同波长光信号的耦合效率之比。由图8可知，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器的耦合方向性可达10dB，具备高度定向的耦合功能，即对波导中光信号的传播方向非常敏感；通过调节石墨烯化学势，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器的工作波段的可调谐范围超过50nm，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对具有特定波长特定偏振方向光信号的单向耦合与探测功能。
在本实施例中，光电探测器可由光电二极管PIN或APD构成。对于波导内多个波长、多种偏振方向、正向或反向传输的光信号，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器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，将偏振方向垂直于硅波导长度方向、波长为工作波段且耦合效率较大的传输方向上的光信号耦合出硅波导。
通过调节石墨烯的化学势，石墨烯层表面的电导率会发生改变；石墨烯层表面电导率的改变会使得纳米天线阵列的散射特性发生改变，即纳米天线阵列对波导中光信号的振幅和相位的响应会发生改变；纳米天线阵列对波导中光信号的振幅和相位的响应的改变会使得可耦合出波导的光信号波段发生变化，进而实现基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器工作波段的可调谐。图9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。
此外，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中光信号的探测对于原光信号的模式质量几乎不构成影响。图10示出了TE模式的工作波段的光信号由波导右侧注入基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器时的模场分布图(左)和对应的矢量图(右)。图11示出了TE模式的工作波段的光信号由基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器中波导右侧注入后由左侧输出时的模场分布图(左)和对应的矢量图(右)。对比图10和图11可知，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对被耦合的光信号的模场质量几乎不构成影响，可在无损探测、信息窃取等场合应用。
图12示出了在石墨烯层化学势为0.2eV时基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导中不同模式下从右向左传播的光信号的耦合效率曲线图。可知，基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器工作在TE模式时对波导中TE模式下传输的光信号的耦合效率远高于基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器工作在TE模式时的耦合效率。因此，可以看出基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器对波导内光信号的耦合具有很好的模式选择性。
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)

1.一种基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器，其特征在于，包括：探测器、纳米天线阵列、第一石墨烯层和波导；
所述探测器设置于所述纳米天线阵列上方；
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，用于将所述波导中沿特定方向传输、满足预设模式、预设偏振方向、所述可调谐定向波导信号探测器工作波段内的光信号耦合出所述波导以供所述探测器探测；
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波导信号探测器的工作波段。
2.根据权利要求1所述的可调谐定向波导信号探测器，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可将所述波导中沿预设方向传输的、具有特定偏振模式的、所述工作波段的光信号耦合出所述波导。
3.根据权利要求2所述的可调谐定向波导信号探测器，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所述波导中以TM模式传播、偏振方向平行于所述波导的长度方向的光信号耦合出所述波导。
4.根据权利要求2所述的可调谐定向波导信号探测器，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所述波导中以TE模式传播、偏振方向垂直于所述波导的长度方向的光信号耦合出所述波导。
5.根据权利要求1-4任一所述的可调谐定向波导信号探测器，其特征在于，所述可调谐定向波导信号探测器还包括电容结构；其中，所述电容结构的一个极板为所述第一石墨烯层，两极板之间设置绝缘分隔层。
6.根据权利要求5所述的可调谐定向波导信号探测器，其特征在于，所述电容结构的另一个极板为所述波导；其中，所述波导为非绝缘体材料的光波导。
7.根据权利要求5所述的可调谐定向波导信号探测器，其特征在于，所述电容结构的另一个极板为第二石墨烯层。
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