CN109814206A - 基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学的光通信器件技术领域，涉及一种基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器。可调波分复用器的石墨烯片和石墨烯环形谐振器固定于方形环境介质中，石墨烯片的左侧设有第一石墨烯环形谐振器R₁、第三石墨烯环形谐振器R₃.......第2n‑1石墨烯环形谐振器；石墨烯片的右侧设有第二石墨烯环形谐振器R₂、第四石墨烯环形谐振器R₄.......第2n石墨烯环形谐振器R_2n。石墨烯片输出端内嵌入石墨烯环形谐振器R，石墨烯环形谐振器R和石墨烯片的间隙为g；石墨烯材料表面的覆盖离子胶；石墨烯环形谐振器的半径大小一致。本发明器件应用于红外波段，可在光通讯、光集成以及光信息处理等方面有广泛的应用前景。

Description

基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器

技术领域

本发明属于微纳光学的光通信器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯片 和环形谐振器的可调波分复用器。

背景技术

表面等离子体波导器件有许多优点，例如体积小、结构简单紧凑、不受衍 射极限的限制、为实现电子回路与光子器件的兼容提供了可能，对于实现集成 光学元器件走向微型化和高密度华具有重要的意义。在很多领域，特别是在成 像，生物传感，光谱，光集成和光信息处理等领域有广泛的应用前景。

在红外波段，光子很容易耦合进入石墨烯，在其表面产生表面等离子体波。 而且相比于金属产生的表面等离子体波，具有低损耗、局域性强的特点。可以 通过改变外加电压和化学掺杂等方式来进行调制。并且能够在不同的调制下支 持TM模式和TE模式，这使得石墨烯成为在表面等离子体波导材料中热门的选 择。石墨烯表面等离子体波导已经广泛应用在光刻，激光和生物传感等领域。

表面等离子体多通道波分复用器有效的解决了传统波分复用器的依赖于几 何结构调节的限制。随着科学技术的发展和生产生活需求的提高，多通道滤波 器在光学器件集成中显示出越来越重要的地位。在传统的硅基芯片上，用于实 现电互连的材料主要是铜和铝等金属材料，而这些金属材料恰好能激发和传输 表面等离极化激元，而且金属对光具有很强局限作用，所以在亚波长范围内， 金属表面二维结构的表面等离子体现象同样引起了广泛的关注和研究。已经设 计出较多的基于贵金属的波分复用器、实现很多功能。且部分实现基于贵金属 的，改变腔的大小和介质的可调多通道波分复用器。但是这些研究，都比较依 赖于几何参数以及结构设计。就需要我们提出更方便调节的多通道波分复用器。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于石墨烯片和多个环形谐振器的可调 波分复用器，通过改变波分复用器的每个石墨烯环和石墨烯片的外加电压来改 变石墨烯的有效折射率的方法。进而控制在其上传播时的表面等离子体波长， 来实现波分复用器的主动可调。

本发明的技术方案如下：

基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，包括环境介质、石墨烯环 形谐振器、石墨烯片和离子胶。

石墨烯片和石墨烯环形谐振器固定于方形环境介质(二氧化硅)中，石墨 烯片的左侧设有第一石墨烯环形谐振器R₁、第三石墨烯环形谐振器R₃.......第2n-1 石墨烯环形谐振器；石墨烯片的右侧设有第二石墨烯环形谐振器R₂、第四石墨 烯环形谐振器R₄.......第2n石墨烯环形谐振器R_2n；第一、第二......第2n石墨 烯环形谐振器与石墨烯片的距离依次为d₁、d₂.......d_2n，n＝1,2,3,…。

石墨烯片输出端内嵌入石墨烯环形谐振器R，石墨烯环形谐振器R和石墨 烯片的间隙为g。石墨烯材料表面的覆盖离子胶；所有的石墨烯材料都利用离子 胶来实现电压的可调。所有石墨烯环形谐振器的半径大小一致。石墨烯片的输 入端为石墨烯片输入波导，石墨烯片的输出端为石墨烯片输出波导；所有的石 墨烯片厚度都为1nm。

通过改变石墨烯电压，改变共振波长。石墨烯环形谐振器均为纳米谐振器。

通过施加不同的电压的石墨烯环形谐振器，透射出不同的共振波长，达到 波分复用器的效果。

使用时，多频率光信号通过耦合硅波导引入到石墨烯片输入波导中，石墨 烯环形谐振器和石墨烯片通过离子胶施加不同的电压，石墨烯在不同的电压下 会有不同的费米能级。不同波长的光在不同费米能级的石墨烯环形谐振器下共 振，耦合到另外的石墨烯片当中，在每个匹配的石墨烯片中高透射出某一波长 的光。透过调节每个石墨烯环形谐振器的外加电压，控制并匹配每个石墨烯环 形谐振器的共振波长，达到在一定范围内风力光信号频率的效果。

可在谐振器中实现共振的光信号通过耦合波导或者锥形光纤引入到石墨烯 输入波导中，表面等离子体在表面被激发后，以波的形式沿石墨烯片进行传播， 并以一定波长耦合到圆环中。由于表面等离子体在环中的共振，辐射可以耦合 到其他石墨烯波导中，并在此波长上实现高透射。通过控制环和石墨烯片的所 加电压，匹配每个石墨烯环波导的波峰和波谷位置，可以在一定波段内不同位 置的环透射不同的波长。根据不同的电压调节透射的波长，从而实现可调波分 复用器的效果。

本发明的有益效果如下：可调表面等离子体多通道波分复用器由石墨烯片， 石墨烯环以及环境介质二氧化硅组成。该结构具有很强的光束缚效应，同时可 以突破衍射极限的限制，在纳米尺度对光学号进行分离。该多通道波分复用器 集成在一块几微米的二氧化硅上，结构简单紧凑，体积小，并能和电子器件和 传统光子器件进行有效匹配连接。而且通过石墨烯上的的离子胶，较方便地改 变石墨烯的外加电压，进而改变波分复用器的透过波长。实现对输出光信号波 长的主动调节。本发明器件应用于红外波段，可在光通讯、光集成以及光信息 处理等方面有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构侧视图；

图2为随石墨烯电压可调外加电压和随其变化的石墨烯有效折射率实部以 及波长三维关系图。

图3(a)、图3(b)为多通道波分复用器单个环光信号的透射谱图。

图4为两个环的情况下多通道波分复用器光信号的透射谱图。

图5为三个环的情况下光信号的电磁场分布图。

其中，Ef₀-石墨烯片输入和输出波导施加电压；Ef_n-环形谐振器施加的电压 (n＝1,2,3,…)R₁-第一石墨烯环形谐振器；R₂-第二石墨烯环形谐振器；以此类 推到第n石墨烯环形谐振器。R-中间解耦股耦合的石墨烯环形谐振器。d_n-石墨 烯环形谐振器和石墨烯片的间隙(n＝1,2,3,…)；g-中间石墨烯环形谐振器和石墨 烯片的间隙。

具体实施方式

下面结合附图详细解释本发明的实施方式：

如图1所示，本发明基于石墨烯和环形谐振器的可调多通道波分复用器包 括环境介质(二氧化硅)、石墨烯片的输入波导、石墨烯片输出波导、多个石墨 烯环形谐振器以及覆盖在石墨烯表面的离子胶。其主要特征在于：石墨烯波导 和环形谐振器固定于方形环境介质(二氧化硅)中，所有的石墨烯材料都利用 离子胶来实现电压的可调。所有环形谐振器的半径大小一致。石墨烯片、输入 波导、输出波导和环形谐振器之间都有一定的间隙。环形谐振器的半径大小都 一致，所有的石墨烯厚度都为1nm。

以3个石墨烯环为例进行分析。在结构上，在石墨烯波导两侧各有一个耦 合环，另一环在两个同一平面的石墨烯片中间，见图5(a)。使用时，石墨烯输 入波导施加Ef0＝0.40eV的电压，同时给所有的输出波导也施加相同的电压。因 为石墨烯波导的有效折射率会随着施加的电压而改变，见图2。给石墨烯环形谐 振器施加不同的电压。右边起第一个石墨烯环形谐振器施加Ef1＝0.60eV，第二 个石墨烯环形谐振器施加Ef2＝0.70eV,第三个，即中间的结构的石墨烯环形谐 振器施加Ef＝0.50eV。其中环形谐振器的半径R1＝R2＝R＝100nm,石墨烯片和石 墨烯环的间隙都设置为d1＝d2＝50nm，中间结构间隙设置g＝35nm。因为光信号 通过耦合硅波导引入右侧石墨烯片Ef0之后，不同波长的光会在不同的电压下和环形谐振器进行耦合，不同电压下环形谐振器与不同的波长进行耦合，再透 过不同的通道透射出。详见图3，我们根据不同的电压给不同位置的环形谐振器 施加不同的电压，将高透射的波分别进行波峰波谷的匹配，详见图4。得到一定 波段内的可调的多通道波分复用器。图5为三环结构图以及电场分布图。图5 (b)波长为6160nm的光信号与石墨烯环R1进行耦合，共振的光信号以较高 的透射率通过通道P-1透射。图5(c)波长为6740nm的光信号与环形谐振器 R2耦合，从通道p-2透射出；图5(d)波长为7300nm的光信号从p-3透射出。

Claims (5)

1.基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，其特征在于，包括环境介质、石墨烯环形谐振器、石墨烯片和离子胶；

石墨烯片和石墨烯环形谐振器固定于方形环境介质中，石墨烯片的左侧设有第一石墨烯环形谐振器R₁、第三石墨烯环形谐振器R₃.......第2n-1石墨烯环形谐振器；石墨烯片的右侧设有第二石墨烯环形谐振器R₂、第四石墨烯环形谐振器R₄.......第2n石墨烯环形谐振器R_2n；第一、第二......第2n石墨烯环形谐振器与石墨烯片的距离依次为d₁、d₂.......d_2n，n＝1,2,3,…；

石墨烯片输出端内嵌入石墨烯环形谐振器R，石墨烯环形谐振器R和石墨烯片的间隙为g；石墨烯材料表面的覆盖离子胶；所有石墨烯环形谐振器的半径大小一致。

2.如权利要求1所述基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，其特征在于，所述的石墨烯环形谐振器均为纳米谐振器。

3.如权利要求1或2所述基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，其特征在于，所述的石墨烯片厚度都为1nm。

4.如权利要求1或2所述基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，其特征在于，所述的环境介质采用二氧化硅。

5.如权利要求3所述基于石墨烯片和环形谐振器的可调波分复用器，其特征在于，所述的环境介质采用二氧化硅。