CN110727048B - 一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器 - Google Patents

一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，包括基底，连接在基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导，耦合波导部由条形波导A、等离子波导、条形波导B平行且间隔一定的距离排列构成，条形波导A与输入条形波导和输出S波导衔接，条形波导B与输出条形波导衔接，等离子波导自下而上依次由底层条形波导，下层石墨烯，介质，上层石墨烯，金属覆盖层构成，下层石墨烯和金属覆盖层与外部电极相连。该耦合器体积小结构简单且工作效果稳定，通过对加载于石墨烯上的外部电压的调控可以调节两输出端口所输出信号的强度，适用于各种基于硅波导的光通信系统。

Description

一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功 率耦合器
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器。
背景技术
2um红外光指的是波长在1700nm至2100nm这一范围内的红外光，这一波段的红外光在近几年受到了关注，在遥感探测、激光雷达、医疗、光通信等领域2um红外光都具有很大的前景，例如2018年NTT先进集成设备研究所公开的基于高速宽带2um激光的引擎内CO2状况实时监控，除上述运用外2um红外光还可以作为中红外波段激光的泵浦源。
在光通信领域上，2um波段覆盖范围广，可实现更大的传输带宽，同时2um红外光受大气扰动、热辐射和太阳光的影响小，在大气中传播时表现出的透过率最高，是构建户外空间通信系统的理想载波。
石墨烯是由碳原子在平面内以蜂巢结构排列构成的零带隙二维材料，其表面电导率可通过加载外部电场改变载流子密度的手段进行调控，这一性质被广泛运用于构建可调谐的光电器件，包括光调制器件，滤波器件及偏振控制器件等，特别的，石墨烯表面等离子激元比较金属-介质界面的表面等离子激元，在光场束缚能力，损耗水平，传播距离等方面都有更好的表现，基于石墨烯表面等离子激元的器件具有很高的研究价值。
耦合器是一种现代光通信系统中常用的器件，通过临近波导间的能量交换，将波导中的光信号部分或完全的转移到另一波导上，是光通信系统中不可少的组成部分，不仅运用于波导间耦合，在滤波器，偏振选择器件，调制器件，光开关及激光器的构建上都发挥着重要的作用。
目前针对2um波段，同时具有高集成性的可调器件的相关研究较少，同时对面向2um波段的新型光纤和光通信器件及2um光的调制解调和波分复用是对2um波段研究的焦点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，该耦合器体积小结构简单且工作效果稳定，通过对加载于石墨烯上的外部电压的调控可以调节两输出端口所输出信号的强度，适用于各种基于硅波导的光通信系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，包括基底，连接在所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导，所述耦合波导部由条形波导A、等离子波导、条形波导B平行且间隔一定的距离排列构成，所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导衔接，所述条形波导B与输出条形波导衔接，所述等离子波导自下而上依次由底层条形波导，下层石墨烯，介质，上层石墨烯，金属覆盖层构成，所述下层石墨烯和金属覆盖层与外部电极相连。
进一步的，所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导宽度、高度均一致；所述条形波导B与输出条形波导宽度、高度均一致。
进一步的，所述等离子波导中的石墨烯-介质-石墨烯的多层结构通过电极加载电压控制石墨烯的表面电导率来控制多层结构的有效折射率，根据需要对两端口输出作调整。
进一步的，所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导表面均采用二氧化硅或硫系玻璃进行封装，比如硫化亚砷，又或其他常用封装材料进行封装。
进一步的，所述上层石墨烯和下层石墨烯均包括单层石墨烯结构或多层石墨烯重叠结构，可以根据实际需要进行适当的掺杂。
进一步的，所述条形波导和S波导均为半导体波导。
更进一步的，所述半导体波导包括硅波导。
进一步的，所述等离子波导中的石墨烯-介质-石墨烯的多层结构上的金属及从石墨烯和金属引出的电极采用传统导电金属。
更进一步的，所述传统导电金属包括金、银、铜、铂、钛等传统导电金属。
本发明所提出的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器的工作原理为：对于入射光信号，传输至耦合波导部时，于条形波导A中的光信号激发等离子波，部分能量以表面等离子波形式耦合到等离子波导中，并进一步耦合到条形波导B中最终由输出条形波导输出，实现耦合。条形波导A到等离子波导的耦合及等离子波导到条形波导B的耦合受等离子波导中石墨烯-介质-石墨烯的有效折射率的影响，通过加载电压，控制石墨烯的表面电导率实现对石墨烯-介质-石墨烯的有效折射率的调控，就可以控制该可调谐耦合器的输出。
综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)本发明提出的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，可通过控制加载电压简单的调整两输出端口的输出功率比，适应于各种基于硅波导的光通信系统。特别是经由等离子波导的耦合波导部相比纯粹直波导在器件构建上灵活度更高，有利于构建高度集成的系统。
(2)本发明提出的耦合器件体积小，整体结构简单，利用石墨烯进行调控故器件对工作电压的要求较低，上述几点使该器件在构建高度集成的光通信器件上具有较大的优势，同时该设计在很大程度上可沿用COMS器件生产线，和现有工艺的兼容性好，加工难度低。
附图说明
图1为器件的三维示意图(省略封装材料)；
图2为器件俯视图(省略电极)；
图3为图2沿A-A方向的截面图(省略输入、输出波导及电极)；
图4为石墨烯化学势分别在0.1eV和0.8eV条件下两端口的输出，图中横轴为垂直传播方向截面上水平位置，纵轴为输出电场强度的平方。
附图标记，1-输入条形波导，2-输出S波导，3-输出条形波导，4-等离子波导，41-条形波导A，42-金属覆盖层，43-1-上层石墨烯，43-2-介质，43-3-下层石墨烯，44-底层条形波导，45-条形波导B，5-外部电极一，6-外部电极二，7-基底。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合图1-4和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
结合图1-3，本实施例中输入条形波导1、输出S波导2、输出条形波导3、条形波导A41、底层条形波导44、条形波导B 45均为硅波导，宽度及高度都为400nm，采用的基底7材料为氮化硅，而以六方氮化硼hBN作为介质43-2构建石墨烯-介质-石墨烯结构，hBN作为一种常用的介质材料能很好的确保上层石墨烯43-1和下层石墨烯43-3之间的电绝缘，确保器件正常工作，本实施例中hBN的厚度为10nm。下层石墨烯43-3延伸至等离子波导4外与外部电极二6接触，金属覆盖层42为银，并延伸出外部电极一5，再此基础上以硫化亚砷对器件进行封装。器件实际工作时，光信号由输入条形波导1输入，最终由输出S波导2，输出条形波导3输出，通过在外部电极一5和外电机二6上加载电压，控制石墨烯的化学势实现对输出的调控。
对于入射光信号，传输至耦合波导部时，于条形波导A 41中的光信号激发等离子波，部分能量以表面等离子波形式耦合到等离子波导4中，并进一步耦合到条形波导B 45中最终由输出条形波导3输出，实现耦合。条形波导A 41到等离子波导4的耦合及等离子波导4到条形波导B 45的耦合受等离子波导4中石墨烯-介质-石墨烯的有效折射率的影响，通过加载电压，控制石墨烯的表面电导率实现对石墨烯-介质-石墨烯的有效折射率的调控，就可以控制该可调谐耦合器的输出。
由图4检测数据图可知，本发明提出的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，通过控制加载电压简单的调整两输出端口的输出功率比，适应于各种基于硅波导的光通信系统，特别是经由等离子波导的耦合波导部相比纯粹直波导在器件构建上灵活度更高，有利于构建高度集成的系统。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，包括基底，连接在所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导，其特征在于：所述耦合波导部由条形波导A、等离子波导、条形波导B平行间距排列构成，所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导衔接，所述条形波导B与输出条形波导衔接，所述等离子波导自下而上依次由底层条形波导，下层石墨烯，介质，上层石墨烯，金属覆盖层构成，所述下层石墨烯和金属覆盖层与外部电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导宽度、高度均一致；所述条形波导B与输出条形波导宽度、高度均一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述等离子波导中的石墨烯-介质-石墨烯的多层结构通过电极加载电压控制石墨烯的表面电导率来控制多层结构的有效折射率。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导表面均采用二氧化硅或硫系玻璃进行封装。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述上层石墨烯和下层石墨烯均包括单层石墨烯结构或多层石墨烯重叠结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述条形波导和S波导均为半导体波导。
7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述半导体波导包括硅波导。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述等离子波导中的石墨烯-介质-石墨烯的多层结构上的金属及从石墨烯和金属引出的电极采用传统导电金属。
9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，其特征在于：所述传统导电金属包括金、银、铜、铂、钛。
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