CN110646868A - 一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，涉及光子集成器件领域，包括：互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，第三层超表面位于最下方；绝缘体结构层；分别设置在绝缘体结构层上、下表面的石墨烯结构层和衬底；第一、二层超表面的折射率大于第一绝缘层，第三层超表面的折射率大于第一子结构的折射率。本发明设计了三层超表面层和石墨烯结构层，通过三层超表面层调整光束传播路径和各层有效折射率，第一子结构与第三层超表面的折射率对比度减小，有效增大耦合器的工作带宽；石墨烯结构层能够进一步增大耦合器的工作带宽，三层超表面矩阵单元阵列排列结构能有效增大耦合器的耦合效率。

Description

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构及制备方法

技术领域

本发明涉及光子集成器件领域，具体来讲，涉及一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构及制备方法。

背景技术

光子集成器件领域中，耦合器作为器件之间以及器件与外界之间传递光路信息的窗口，是重要的光子集成无源器件。耦合器优劣的最重要的参考性能指标有三个：耦合效率、带宽和偏振相关性。如何提高耦合效率、增大耦合带宽、降低偏振相关性是设计研究性能优良的耦合器件的关键。

现有耦合器中存在多种缺陷，例如耦合效率不够高、带宽不够大和偏振敏感。

发明内容

针对现有耦合器中存在的缺陷，即耦合效率不够高、带宽不够大和偏振敏感的问题，本发明的目的在于提供一种高性能多功能的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，能够有效增大耦合器的工作带宽，同时提高耦合器耦合效率、减小偏振敏感。

为达到以上目的，本发明提供一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，包括：

互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，所述第三层超表面位于所述第一层超表面和所述第二层超表面的下方，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

绝缘体结构层，由包裹所述第一层超表面和所述第二层超表面的第一绝缘层和包裹所述第三层超表面的第二绝缘层构成，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第一绝缘层构成第一子结构，所述第三层超表面和所述第二绝缘层构成第二子结构；

分别设置在所述绝缘体结构层上表面和下表面的石墨烯结构层和衬底；

所述第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，所述第三层超表面的折射率大于所述第一子结构的折射率。

在上述技术方案的基础上，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的折射率相同。

在上述技术方案的基础上，所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第一层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值；

所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第二层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值。

在上述技术方案的基础上，所述石墨烯结构层由至少一个石墨烯层堆叠设置构成。

在上述技术方案的基础上，所述绝缘体结构层的折射率低于所述石墨烯结构层。

在上述技术方案的基础上，所述第一层超表面包含多个第一矩形基本单元，多个所述第一矩形基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，

每行的所述第一矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的所述第一矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

在上述技术方案的基础上，所述第二层超表面包含多个第二矩形基本单元，多个所述第二矩形基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，每行的所述第二矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第二矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的所述第二矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第二矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

在上述技术方案的基础上，所述第三层超表面包含多孔平行板波导，所述多孔平行板波导由多个带孔基本单元构成，多个所述带孔基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，

每行的所述带孔基本单元的横向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻所述带孔基本单元的横向孔间隔保持不变或至少部分递减；

每列的所述带孔基本单元的纵向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻所述带孔基本单元的纵向孔间隔保持不变或至少部分递减。

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器制备方法，包括：

步骤S1、通过单次沉积形成第三层超表面，通过多次沉积绝缘层、第二层超表面以及第一层超表面，以在衬底上形成互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，所述第三层超表面位于所述第一层超表面和所述第二层超表面的下方，所述绝缘层形成包裹所有所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面的绝缘体结构层；

步骤S2、在所述绝缘体结构层上表面沉积石墨烯结构层；

所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

所述绝缘体结构层由包裹所述第一层超表面和所述第二层超表面的第一绝缘层和包裹所述第三层超表面的第二绝缘层构成，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第一绝缘层构成第一子结构，所述第三层超表面和所述第二绝缘层构成第二子结构；

所述第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，所述第三层超表面的折射率大于所述第一子结构的折射率。

在上述技术方案的基础上，所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第一层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值；

所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第二层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值。

本发明的有益效果在于：本发明设计了三层超表面层和石墨烯结构层，通过三层超表面层调整光束传播路径和各层有效折射率，第一、二层超表面选择折射率略大于包裹他们的第一绝缘层折射率的材料制成，第三层超表面选择折射率大于第一、二层超表面的材料制成，使第一、二层超表面以及包裹其的第一绝缘层构成的第一子结构整体有效折射率增大，第一子结构与第三层超表面的折射率对比度减小，有效增大耦合器的工作带宽；

石墨烯结构层能够进一步增大耦合器的工作带宽；

三层超表面矩阵单元特定排列结构参数形式灵活，能够提高耦合器与光纤之间模式的匹配程度，减小模式失配损耗，增大耦合效率，减小偏振敏感。形成多功能耦合器结构。

附图说明

图1是本发明实施例中耦合器第一层超表面结构示意图；

图2是本发明实施例中耦合器第二层超表面结构示意图；

图3是本发明实施例中耦合器第三层超表面结构示意图；

图4是本发明实施例中耦合器结构示意图；

图5是本发明实施例中耦合器的制备方法流程图；

附图标记：

石墨烯结构层1，第一层超表面2，第二层超表面3，第三层超表面4，绝缘体结构层5，入射光束6，超表面结构7，衬底8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“纵向”、“厚度方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，包括：

互不接触的至少一个第一层超表面2、至少一个第二层超表面3以及一第三层超表面4，上述第三层超表面4位于上述第一层超表面2和上述第二层超表面3的下方，第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构，如下述的第一层超表面2采用多个第一矩形基本单元组成矩形阵列，第二层超表面3采用多个第二矩形基本单元组成矩形阵列，第三层超表面4采用多个所述带孔基本单元组成矩形阵列；

包裹所有上述第一层超表面2、上述第二层超表面3以及上述第三层超表面4的绝缘体结构层5，即三层超表面构成的超表面结构7形成在绝缘体结构层5内部，绝缘体结构层5由包裹第一层超表面2和第二层超表面3的第一绝缘层和包裹第三层超表面4的第二绝缘层构成，第一层超表面2、第二层超表面3以及第一绝缘层构成第一子结构，第三层超表面4和第二绝缘层构成第二子结构；

分别设置在上述绝缘体结构层5上表面和下表面的石墨烯结构层1和衬底8。

第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，第三层超表面4的折射率大于所述第一子结构的折射率。

在本实施例中，超表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，超表面可视为超材料的二维对应。光学超表面可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是一种结合了光学和纳米科技的新兴技术。

石墨烯因其独特的能带结构，具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内单层石墨烯吸收率约为2.3％。在10层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3％。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。

运用超表面和石墨烯结构层1的结合，既能很大程度上提高耦合器耦合效率，又能增大耦合带宽并且极大降低偏振相关性。由于结构灵活，可以满足多种耦合需求。

具体的，入射光束6夹角θ可变。石墨烯结构层1可以为单层石墨烯层和多层石墨烯层，利用石墨烯光学特性，可有效保证耦合器耦合带宽。以第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4均为单个为例，上述三层超表面7包括用于调整入射光束6方向和有效折射率的第一层超表面2和第二层超表面3，以及用于耦合和传输光的第三层超表面4，三层超表面沿厚度方向依次排列。

设计了三层超表面层和石墨烯结构层1，通过三层超表面层调整光束传播路径和各层有效折射率，第一、二层超表面选择折射率略大于包裹他们的第一绝缘层折射率的材料制成，第三层超表面4选择折射率大于第一、二层超表面的材料制成，使第一、二层超表面以及包裹其的第一绝缘层构成的第一子结构整体有效折射率增大，第一子结构与第三层超表面4的折射率对比度减小，有效增大耦合器的工作带宽；

石墨烯结构层1能够进一步增大耦合器的工作带宽。

三层超表面均采用的矩阵单元特定排列结构参数形式灵活，能够提高耦合器与光纤之间模式的匹配程度，减小模式失配损耗，增大耦合效率，减小偏振敏感。形成多功能耦合器结构。

以顶层石墨烯结构层1、第一层超表面2、第二层超表面3、第三层超表面4以及衬底8数量均为一且由上至下依次排布为例，顶层石墨烯结构层1与第一层超表面2间隔距离Δh₁，Δh₁取值大于等于0，小于等于500nm。

第一层超表面2与第二层超表面3沿厚度方向距离Δh₂，Δh₂大于等于0，小于等于500nm。

第二层超表面3与第三层超表面4沿厚度方向距离Δh₃，Δh₃大于等于0，小于等于500nm。

第三层超表面4与电解质衬底8层沿厚度方向距离Δh₄，Δh₄大于等于1μm，小于等于3μm。

三层超表面层材料不限，材料折射率不限，只要满足第一、二层超表面的折射率大于第一绝缘层，第三层超表面4的折射率大于第一子结构的折射率。

进一步的，上述石墨烯结构层1由至少一个石墨烯层堆叠设置构成。

具体的，石墨烯结构层1可以为单层石墨烯层和多层石墨烯层，利用石墨烯光学特性，可有效保证耦合器耦合带宽。

进一步的，上述基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构还包括：

衬底8，上述绝缘结构体层设置于上述衬底8上表面。

进一步的，上述绝缘体结构层5的折射率低于上述石墨烯结构层1、上述第一层超表面2、上述第二层超表面3以及上述第三层超表面4。

进一步的，上述第一层超表面2包含多个第一矩形基本单元，多个上述第一矩形基本单元组成矩形阵列，矩形阵列中，

每行的上述第一矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻上述第一矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的上述第一矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻上述第一矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

具体的，参照图1，为第一层超表面2的俯视图。第一层超表面2包含的第一矩形基本单元的横向长度为l₁+Δl₁，l₁取值大于0小于1μm，Δl₁取值大于等于0小于等于200nm，其中，每一个矩形基本单元取同一个l₁取同一Δl₁，则该行的多个第一矩形基本单元的横向长度保持不变。每一个矩形基本单元取同一个l₁取不同的且递减的Δl₁，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的且递减的Δl₁值，则该行的多个第一矩形基本单元的横向长度递减。每一个矩形基本单元取同一个l₁取不同的Δl₁，则该行的多个第一矩形基本单元的横向长度可以在部分不变部分递减。横向间隔、纵向长度、纵向间隔与横向长度的变化同理。

第一层超表面2包含的第一矩形基本单元的纵向长度为l₂+Δl₂，l₂取值大于0小于1μm，Δl₂取值大于等于0小于等于200nm，其中，每一个矩形基本单元取同一个l₂取同一Δl₂，则该行的多个第一矩形基本单元的纵向长度保持不变。每一个第一矩形基本单元纵向长度取同一个l₂取不同的且递减的Δl₂，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的且递减的Δl₂值，则该行的多个第一矩形基本单元的纵向长度递减。每一个第一矩形基本单元纵向长度取同一个l₂取不同的Δl₂，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的Δl₂值，则该行的多个第一矩形基本单元的纵向长度可以在部分不变部分递减。

第一层超表面2包含的相邻第一矩形基本单元横向间隔距离为d₁+Δd₁，d₁取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δd₁取值大于等于0小于等于200nm，其中，每一个矩形基本单元取同一个d₁取同一Δd₁，则该行的多个第一矩形基本单元的横向间隔距离保持不变。每一个第一矩形基本单元取同一个d₁取不同的且递增的Δd₁，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的且递增的Δd₁值，则该行的多个第一矩形基本单元的横向间隔距离递增。每一个第一矩形基本单元取同一个d₁取不同的Δd₁，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的Δd₁值，则该行的多个第一矩形基本单元的横向间隔距离不变或部分递增。

第一层超表面2包含的相邻第一矩形基本单元纵向间隔距离为d₂+Δd₂，d₂取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δd₂取值大于等于0小于等于200nm，其中，每一个矩形基本单元取同一个d₂取同一Δd₂，则该行的多个第一矩形基本单元的纵向间隔距离保持不变。每一个第一矩形基本单元取同一个d₂取不同的且递增的Δd₂，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的且递增的Δd₂值。每一个第一矩形基本单元取同一个d₂取不同的Δd₂，即有多少个第一矩形基本单元就可能有多少个不同的Δd₂值，则该行的多个第一矩形基本单元的横向间隔距离不变或部分递增。

进一步的，上述第二层超表面3包含多个第二矩形基本单元，多个上述第二矩形基本单元组成矩形阵列；

每行的上述第二矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻上述第二矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的上述第二矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻上述第二矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

具体的，参照图2，为第二层超表面3的俯视图。第二层超表面3包含的第二矩形基本单元横向长度为l₃+Δl₃，l₃取值大于0小于1μm，Δl₃取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个第二矩形基本单元纵向取同一个l₃取不同的Δl₃，即有多少个第二矩形基本单元就可能有多少个不同的Δl₃值。第二层超表面3包含的第二矩形基本单元纵向长度为l₄+Δl₄，l₄取值大于0小于1μm，Δl₄取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个第二矩形基本单元纵向取同一个l₄取不同的Δl₄，即有多少个第二矩形基本单元就可能有多少个不同的Δl₄值。

第一层超表面2包含的相邻第二矩形基本单元横向间隔距离为d₃+Δd₃，d₃取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δd₃取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个第二矩形基本单元取同一个d₃取不同的Δd₃，即有多少个第二矩形基本单元就可能有多少个不同的Δd₃值。第二层超表面3包含的相邻第二矩形基本单元纵向间隔距离为d₄+Δd₄，d₄取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δd₄取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个第二矩形基本单元取同一个d₄取不同的Δd₄，即有多少个第二矩形基本单元就可能有多少个不同的Δd₄值。

进一步的，上述第三层超表面4包含多孔平行板波导，上述多孔平行板波导由多个带孔基本单元构成，多个上述带孔基本单元组成矩形阵列；

每行的上述带孔基本单元的横向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻上述带孔基本单元的横向孔间隔保持不变或至少部分递减；

每列的上述带孔基本单元的纵向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻上述带孔基本单元的纵向孔间隔保持不变或至少部分递减。

具体的，参照图3，为第三层超表面4的俯视图。上述多孔平行板波导的带孔基本单元横向孔长度为l₅+Δl₅，l₅取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δl₅取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个带孔基本单元横向取同一个l₅取不同的Δl₅，即有多少个带孔基本单元就可能有多少个不同的Δl₅值。上述多孔平行板波导带孔基本单元纵向孔长度为l₆+Δl₆，l₆取值大于和/或等于30nm小于600nm，Δl₆取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个带孔基本单元纵向取同一个l₆取不同的Δl₆，即有多少个带孔基本单元就可能有多少个不同的Δl₆值。

上述多孔平行板波导带孔基本单元横向相邻孔间间距为d₅+Δd₅，d₅取值大于0小于1μm，Δd₅取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个带孔基本单元取同一个d₅取不同的Δd₅，即有多少个带孔基本单元就可能有多少个不同的Δd₅值。上述多孔平行板波导带孔基本单元纵向相邻孔间间距为d₆+Δd₆，d₆取值大于0小于1μm，Δd₆取值大于等于0小于等于200nm，其中每一个带孔基本单元取同一个d₆取不同的Δd₆，即有多少个带孔基本单元就可能有多少个不同的Δd₆值。

一种基于石墨烯和三层超表面耦合器制备方法，包括：

步骤S1、单次沉积第三层超表面4，多次沉积绝缘层、第一层超表面2以及第二层超表面3，以形成互不接触的至少一个第一层超表面2、至少一个第二层超表面3以及一第三层超表面4，上述第三层超表面4位于上述第一层超表面2和上述第二层超表面3的下方，多层沉积的绝缘层形成包裹所有上述第一层超表面2、上述第二层超表面3以及上述第三层超表面4的绝缘体结构层5；

步骤S2、在上述绝缘体结构层5上表面沉积石墨烯结构层1。

每一个第一层超表面2和每一个第二层超表面3均设置在绝缘体结构层5内部，且由绝缘体结构层5包裹。

第一实施例

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，能够实现高性能、多功能光耦合，其包括顶层石墨烯结构层1、三层超表面(第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4)、包裹三层超表面的绝缘体结构层5和底层电解质衬底8。

第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4均为单个，上述三层超表面包括用于调整入射光束6方向和有效折射率的第一层超表面2和第二层超表面3，以及用于耦合和传输光的第三层超表面4，三层超表面沿厚度方向依次排列。入射光束6夹角θ取12.6°。

本实施例中，参见图1所示，第一层超表面2其第一矩形基本单元个数取11个。第一矩形基本单元横向长度为l₁+Δl₁，纵向长度为l₂+Δl₂。其中，l₁取值182nm，Δl₁取值均取0，l₂取值与l₁相同，取182nm，Δl₂取值均取0。第一层超表面2横向相邻第一矩形基本单元的横向间隔距离为d₁+Δd₁，纵向相邻第一矩形基本单元的纵向间隔距离为d₂+Δd₂。其中，d₁取值543nm，Δd₁取值0，d₂取值183nm，Δd₂取值均取0。其形成均匀波导阵列超表面。

参见图2所示，本实施例中，第二层超表面3其第二矩形基本单元个数取11个。第二矩形基本单元横向长度为l₃+Δl₃，纵向长度为l₄+Δl₄。其中，l₃取值313nm，Δl₃横向取值依次为：87nm、112nm、123nm、94nm、84nm、69nm、67nm、46nm、12nm、0、0；l₄取值390nm，Δl₄取值均取0。第二层超表面3横向相邻第二矩形基本单元的横向间隔距离为d₃+Δd₃，纵向相邻第二矩形基本单元的纵向间隔距离为d₄+Δd₄。其中，d₃取值153nm，Δd₃横向取值依次为：13nm、0、30nm、45nm、72nm、78nm、116nm、144nm、161nm、161nm；d₄取值183nm，Δd₄取值均取0。

参见图3所示，本实施例中，第三层超表面4包含输入光传输波导单元长度2μm，末端波导单元长度2μm；多孔平行板波导带孔基本单元孔个数取12个，横向孔长度为l₅+Δl₅，纵向孔长度为l₆+Δl₆，其中，l₅取值138nm，Δl₅横向取值依次为：0nm、23nm、54nm、97nm、85nm、100nm、137nm、166nm、166nm、166nm、166nm、166nm；l₆取值390nm，Δl₆取值均取0。多孔平行板波导带孔基本单元横向相邻孔间间距为d₅+Δd₅，纵向相邻孔间间距为d₆+Δd₆，其中，d₅取值342nm，Δd₅横向取值依次为：148nm、133nm、104nm、57nm、70nm、49nm、27nm、0、0、0、0；d₆取值183nm，Δd₆取值均取0。

具体制备时，在衬底8上依次沉积绝缘层制备第三层超表面4、继续沉积绝缘层，此时覆盖并包裹第三层超表面4的绝缘层构成第二绝缘层；继续沉积绝缘层、制备第二层超表面3、继续沉积绝缘层、制备第一层超表面2，此时覆盖并包裹第二层超表面3和第一层超表面2的绝缘层构成第一绝缘层。第一绝缘层和第二绝缘层折射率相同。第一绝缘层和第二绝缘层构成绝缘体结构层5，上述工艺基于衬底8制备，最后在绝缘体结构层5上表面形成石墨烯结构层1以形成整个耦合器结构。

第三层超表面4选取折射率比较大的材料制成，将与第二绝缘层形成较大的折射率对比度。第一、二层超表面选择折射率略大于包裹他们的第一绝缘层折射率的材料制成，使第一、二层超表面以及包裹其的第一绝缘层构成的第一子结构整体有效折射率增大。同时，第三层超表面选择折射率大于第一、二层超表面的材料制成，第一子结构与第三层超表面的折射率对比度减小，有效增大耦合器的工作带宽；

石墨烯结构层能够进一步增大耦合器的工作带宽。

第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4中变化的矩阵单元将提高与光纤模式的匹配程度，从而增大耦合器中光的耦合效率，降低了整个耦合器件损耗。

并且，第一层超表面2、第二层超表面3以及第三层超表面4的矩阵结构参数形式灵活，可以满足多种需求，从而形成高性能多功能耦合器结构，结构新颖，实用性强。

上述设计方便、制作简单，能够实现高效进行光的耦合，同时拥有比较大的耦合带宽。运用石墨烯层和三层超表面以及底层衬底8作为耦合器主体，结构新颖，性能优良，同时本结构还可以实现多情况耦合及相关功能，实用性强。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯和三层超表面耦合器结构，其特征在于，包括：

互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，所述第三层超表面位于所述第一层超表面和所述第二层超表面的下方，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

绝缘体结构层，由包裹所述第一层超表面和所述第二层超表面的第一绝缘层和包裹所述第三层超表面的第二绝缘层构成，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第一绝缘层构成第一子结构，所述第三层超表面和所述第二绝缘层构成第二子结构；

分别设置在所述绝缘体结构层上表面和下表面的石墨烯结构层和衬底；

所述第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，所述第三层超表面的折射率大于所述第一子结构的折射率。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的折射率相同。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第一层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值；

所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第二层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值。

4.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述石墨烯结构层由至少一个石墨烯层堆叠设置构成。

5.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述绝缘体结构层的折射率低于所述石墨烯结构层。

6.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述第一层超表面包含多个第一矩形基本单元，多个所述第一矩形基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，

每行的所述第一矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的所述第一矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

7.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述第二层超表面包含多个第二矩形基本单元，多个所述第二矩形基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，每行的所述第二矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第二矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的所述第二矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第二矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。

8.如权利要求1所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，其特征在于，所述第三层超表面包含多孔平行板波导，所述多孔平行板波导由多个带孔基本单元构成，多个所述带孔基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，

每行的所述带孔基本单元的横向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻所述带孔基本单元的横向孔间隔保持不变或至少部分递减；

每列的所述带孔基本单元的纵向孔长度保持不变或至少部分递增，相邻所述带孔基本单元的纵向孔间隔保持不变或至少部分递减。

9.一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器制备方法，其特征在于，包括：

步骤S1、通过单次沉积形成第三层超表面，通过多次沉积形成绝缘层、第二层超表面以及第一层超表面，以在衬底上形成互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，所述第三层超表面位于所述第一层超表面和所述第二层超表面的下方，所述绝缘层形成包裹所有所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面的绝缘体结构层；

步骤S2、在所述绝缘体结构层上表面沉积石墨烯结构层；

所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

所述绝缘体结构层由包裹所述第一层超表面和所述第二层超表面的第一绝缘层和包裹所述第三层超表面的第二绝缘层构成，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第一绝缘层构成第一子结构，所述第三层超表面和所述第二绝缘层构成第二子结构；

所述第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，所述第三层超表面的折射率大于所述第一子结构的折射率。

10.如权利要求9所述的基于石墨烯和三层超表面的耦合器制备方法，其特征在于，所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第一层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值；

所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第二层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值。

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