CN110780360B - 一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，包括：硅衬底，设置于硅衬底上第一石墨烯纳米条、可与第一石墨烯纳米条直接耦合的若干第二石墨烯纳米条以及可与第一石墨烯纳米条间接耦合的若干第三石墨烯纳米条，各第二石墨烯纳米条分别与第一石墨烯纳米条平行设置，各第二石墨烯纳米条之间可分别发生直接耦合；各第三石墨烯纳米条与第一石墨烯纳米条垂直设置，各第三石墨烯纳米条之间以及各第三石墨烯纳米条与各第二石墨烯纳米条之间可分别发生直接耦合。基于本发明的慢光器件，尺寸小、群延时大、带宽宽、动态可调谐以及易于集成，具有很好的应用前景。

Description

一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件

技术领域

本发明属于光子器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件。

背景技术

在光通信领域，随着传输容量的增加，光-电-光的数据路由和交换方式存在的“电子瓶颈”现象更加突显，已经成为制约通信网络的带宽、体积、成本、功耗和速率的重要因素。为了突破“电子瓶颈”，全光网络应运而生，成为通信网络发展的必然趋势。全光网络依赖于产生和控制数据缓存、逻辑转换和信号延时的能力，利用慢光器件进行信号的延时和缓存，可以避免传统光纤延迟线体积大、结构复杂等问题，并且能够实现延时可调谐。

慢光是指光脉冲在介质中传播的群速度小于真空中的光速。在全光通信网络和全光信号处理中，慢光器件是构建全光智能互连和实时高速测控等下一代信息技术的关键节点器件。传统的慢光器件获得的群延时小，并且带宽窄，限制了慢光器件在全光通信网络和全光信号处理技术中的应用发展。随着基于信号延时、数据缓存与交换等关键技术的集成慢光器件的快速发展，对于慢光器件小尺寸、大延时、宽带宽和动态可调谐的需求越来越明显，因此实现具有紧凑的器件尺寸、大的群延时、宽的带宽、动态可调谐以及易于集成的新的工作机理的慢光器件显得非常重要，此类新型的慢光器件在全光通信网络和信号处理的数据路由、信号延时、数据缓存与交换技术中的应用越来越广泛。

发明内容

本发明解决的技术问题为：提供一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，基于本发明的慢光器件，尺寸小、群延时大、带宽宽、动态可调谐以及易于集成。

具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，包括：硅衬底，设置于所述硅衬底上第一石墨烯纳米条、可与所述第一石墨烯纳米条直接耦合的若干第二石墨烯纳米条以及可与所述第一石墨烯纳米条间接耦合的若干第三石墨烯纳米条，各所述第二石墨烯纳米条分别与所述第一石墨烯纳米条平行设置，各所述第二石墨烯纳米条之间可分别发生直接耦合；各所述第三石墨烯纳米条与所述第一石墨烯纳米条垂直设置，各所述第三石墨烯纳米条之间以及各所述第三石墨烯纳米条与各所述第二石墨烯纳米条之间可分别发生直接耦合。

有益效果：

1)根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，尺寸小(小于0.05μm²)、群延时大、带宽宽、动态可调谐以及易于集成。基于本发明的慢光器件在全光通信网络和信号处理的数据路由、信号延时、数据缓存与交换技术中具有很好的应用前景。

2)根据本发明的器件结构能够产生双PIT效应，可以实现双通道慢光，且石墨烯的化学势可通过控制外加偏置电压或化学掺杂等方法调节，因此能够实现动态可调谐的双PIT效应的双通道慢光器件。

在上述方案的基础上，本发明还可以进行如下改进：

进一步，所述第一石墨烯纳米条、各所述第二石墨烯纳米条以及各所述第三石墨烯纳米条均由单层石墨烯组成，所述第一石墨烯纳米条、各所述第二石墨烯纳米条以及各所述第三石墨烯纳米条的化学势分别为0.30～0.31eV。

采用单层石墨烯纳米条结构可有效的减小器件的尺寸，且单层石墨烯纳米条对SPPs具有强的束缚性，具有较强的局域光场增强特性，PIT效应具有的陡峭色散特性，可更好地实现慢光器件的超紧凑和大群延时效果。

进一步,各所述第二石墨烯纳米条以及各所述第三石墨烯纳米分别设置于所述第一石墨烯纳米条的同侧，各所述第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为8～12nm，各所述第三石墨烯纳米条相邻边之间的距离为6～10nm，所述第一石墨烯纳米条与相邻的所述第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为8～12nm，耦合长度为8～12nm，所述第一石墨烯纳米条与相邻的所述第三石墨烯纳米条的相邻边之间的距离为8～12nm，相邻的所述第二石墨烯纳米条2与所述第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8～12nm，各所述第三石墨烯纳米条与各所述第二石墨烯纳米条之间的耦合长度分别为8～12nm。

进一步，所述第二石墨烯纳米条以及所述第三石墨烯纳米条分别为2个，所述第一石墨烯纳米条的长度为60～70nm，宽度为15～25nm，各所述第二石墨烯纳米条的长度分别为45～50nm，宽度分别为8～12nm，各所述第三石墨烯纳米条的长度分别为45～50nm，宽度分别为8～14nm。

进一步，所述第一石墨烯纳米条的长度和宽度分别为64nm和20nm，各所述第二石墨烯纳米条的长度和宽度为48nm和10nm，各所述第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为48nm，各所述第三石墨烯纳米条的长度和宽度分别为48nm和12nm，各所述第三石墨烯纳米条相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为48nm，所述第一石墨烯纳米条与相邻的所述第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为10nm，相邻的所述第二石墨烯纳米条与所述第三石墨烯纳米条相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为10nm。

基于上述结构的慢光器件尺寸小、群延时较大且损耗较小。

进一步，所述SiO₂衬底的厚度为280～320nm。

使用SiO₂为衬底，可减少中红外波段光吸收和光传输损耗。

基于本发明的超材料结构的慢光器件，每个结构单元由五个石墨烯纳米条构成，在中红外波段实现了一种基于双PIT效应的双通道慢光器件。利用石墨烯产生的SPPs具有强的局域光场增强特性，以及PIT效应具有的陡峭色散特性，实现了一种超紧凑和大群延时的石墨烯超材料结构的慢光器件，器件尺寸小于0.05μm²。这种新的工作机理的石墨烯超材料结构的慢光器件具有大的科学研究价值，在未来的光子器件集成领域具有应用发展潜力，对未来全光通信网络和全光信号处理技术的发展将起支撑作用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件的结构示意图。

图2为基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件的系统透射光谱。

图3为基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件的系统群延时。

附图中，各标号所代表的部件名称为：

第一石墨烯纳米条1；第二石墨烯纳米条2；第三石墨烯纳米条3；硅衬底4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

结合附图1，本发明提供的具体解决方案包括如下步骤：

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，包括：硅衬底4，设置于硅衬底4上第一石墨烯纳米条1、可与第一石墨烯纳米条1直接耦合的若干第二石墨烯纳米条2以及可与第一石墨烯纳米条1间接耦合的若干第三石墨烯纳米条3，各第二石墨烯纳米条2分别与第一石墨烯纳米条1平行设置，各第二石墨烯纳米条2之间可分别发生直接耦合；各第三石墨烯纳米条3与第一石墨烯纳米条1垂直设置，各第三石墨烯纳米条3之间以及各第三石墨烯纳米条3与各第二石墨烯纳米条2之间可分别发生直接耦合。

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,简称SPPs)是沿金属-介质界面传输、在垂直金属表面方向上呈指数衰减的一种表面电磁消逝波。SPPs具有可突破传统光学衍射极限及强的局域光场增强特性，因此可以实现光在亚波长量级的引导和操控。目前，基于等离子体激元诱导透明(Plasmon Induced Transparency,简称PIT)效应的SPPs慢光器件引起了越来越多的关注。PIT现象的产生类似于原子气体中的电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,简称EIT)效应，但相比于原子气体中由材料的吸收特性决定的EIT现象，由谐振腔耦合等离子体波导系统的几何结构产生的PIT现象由于具有可在室温下操作，芯片集成的兼容性、透射波段的可调谐性以及带宽的可控性等特点，而具有更大的应用前景。在超材料结构中，利用明模式和暗模式间的相互耦合干涉作用能够产生PIT效应，从而实现慢光，由于PIT效应透明峰具有大的品质因子，透射光谱比较陡峭，强色散导致大的群延时等特征，PIT效应适合应用于慢光器件中。

基于本申请的慢光器件，利用石墨烯独特的电子结构以及石墨烯等离子体激元表现出独特的电学可调性、低本征损耗及高度光场局域等优异性能，将其应用在SPPs器件的设计之中。基于本申请的器件，通过将石墨烯层覆盖在超材料的表面，可以产生PIT效应。基于本发明的超材料结构的慢光器件，每个结构单元由五个石墨烯纳米条构成，在中红外波段实现了一种基于双PIT效应的双通道慢光器件；利用石墨烯产生的具有强的局域光场增强特性SPPs，以及PIT效应具有的陡峭色散特性，实现了一种超紧凑和大群延时的石墨烯超材料结构的慢光器件，器件尺寸小于0.05μm²，且通过改变石墨烯的化学势，可以对PIT效应慢光进行动态调控。

具体的，第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2之间、各第二石墨烯纳米条2之间均可发生直接耦合，各第三石墨烯纳米条3之间以及各第三石墨烯纳米条3与各第二石墨烯纳米条2之间均可发生直接耦合，即第一石墨烯纳米条1与各第三石墨烯纳米条3之间通过各第二石墨烯纳米条2发生间接耦合。因此，当携带信号的入射光束垂直照到各石墨烯纳米条上时，电场方向平行于第一石墨烯纳米条1和各第二石墨烯纳米条2的长度方向的入射光会，在第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2的表面直接激发产生SPPs，第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2的SPPs之间发生直接耦合干涉作用产生PIT效应(第一个PIT透射峰)。各第三石墨烯纳米条3无法通过入射光直接激发产生SPPs，而是通过各第二石墨烯纳米条2与各第三石墨烯纳米条3之间的近场耦合作用，在第三石墨烯纳米条3中激发产生SPPs，各第二石墨烯纳米条2中的SPPs与各第三石墨烯纳米条3中的SPPs的耦合干涉作用产生PIT效应(第二个PIT透射峰)。

通过光谱仪对器件透射光谱进行检测得到透射率光谱，然后通过下列公式对透射率光谱进行处理得到系统群延时。

t为透射率，φ(ω)为透射光谱相移，τ_g为群延时，利用群时延可以定量的表征慢光性能。

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，第一石墨烯纳米条1、各第二石墨烯纳米条2、各第三石墨烯纳米条3均由单层石墨烯组成，第一石墨烯纳米条1的化学势为0.31eV，各第二石墨烯纳米条2以及各第三石墨烯纳米条3的化学势分别为0.30eV。

采用单层石墨烯纳米条结构可有效的减小器件的尺寸，且单层石墨烯纳米条对SPPs具有强的束缚性，具有较强的局域光场增强特性，PIT效应具有的陡峭色散特性，能更好地实现慢光器件的超紧凑和大群延时效果。采用单层石墨烯纳米条超材料结构，从而获得更大的群延时、宽的带宽、小尺寸和动态可调谐的SPPs慢光器件。

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，各第二石墨烯纳米条2以及各第三石墨烯纳米条3分别设置于第一石墨烯纳米条1的同侧，各第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为8～12nm，各第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为6～10nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为8～12nm，耦合长度为8～12nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第三石墨烯纳米条3的相邻边之间的距离为8～12nm，相邻的第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8～12nm，各第三石墨烯纳米条3与各第二石墨烯纳米条2之间的耦合长度分别为8～12nm。

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，第二石墨烯纳米条以及第三石墨烯纳米分别为2个，第一石墨烯纳米条的长度为60～70nm，宽度为15～25nm，各第二石墨烯纳米条的长度分别为45～50nm，宽度分别为8～12nm，各第三石墨烯纳米条的长度分别为45～50nm，宽度分别为8～14nm。

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，第一石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为64nm和20nm，各第二石墨烯纳米条2的长度和宽度为48nm和10nm，各第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为48nm，各第三石墨烯纳米条3的长度和宽度分别为48nm和12nm，各第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为48nm，相邻的第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为10nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为10nm。

具体的，系统结构如图1所示，入射光从慢光器件上方垂直照射时，电场方向平行于第一石墨烯纳米条1和各第二石墨烯纳米条2的长度方向的入射光束，在第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2的表面直接激发产生SPPs，第一石墨烯纳米条1、各第二石墨烯纳米条2在结构中均表现为明模式，由于各第三石墨烯纳米条3无法与垂直入射的入射光直接发生耦合作用，因此，各第三石墨烯纳米条3在结构中表现为暗模式，但各第三石墨烯纳米条3可通过与各第二石墨烯纳米条2发生近场耦合作用从而在其表面间接激发SPPs，也就是入射光通过第一石墨烯纳米条1、各第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3产生了间接耦合作用。第一石墨烯纳米条1、各第二石墨烯纳米条2中的SPPs以及各第三石墨烯纳米条3中的SPPs耦合干涉作用导致双PIT效应的产生。

根据本发明的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，SiO₂衬底4的厚度为280～320nm。

实施例1

基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，硅衬底4的厚度为300nm，第二石墨烯纳米条2以及第三石墨烯纳米条3均为两个，第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2相互平行设置，各第三石墨烯纳米条3与第一石墨烯纳米条1垂直设置，第一石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为64nm和20nm，各第二石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为48nm和10nm，各第三石墨烯纳米条3的长度和宽度分别为48nm和12nm，各第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为10nm，各第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为48nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为10nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为10nm，相邻的第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为10nm。

实施例2

基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，硅衬底4的厚度为280nm，第二石墨烯纳米条2以及第三石墨烯纳米条3均为两个，第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2相互平行设置，各第三石墨烯纳米条3与第一石墨烯纳米条1垂直设置，第一石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为60nm和15nm，各第二石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为45nm和8nm，各第三石墨烯纳米条3的长度和宽度分别为45nm和8nm，各第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为8nm，各第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为6nm，耦合长度为45nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为8nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，相邻的第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为8nm。

实施例3

基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，硅衬底4的厚度为320nm，第二石墨烯纳米条2以及第三石墨烯纳米条3均为两个，第一石墨烯纳米条1与各第二石墨烯纳米条2相互平行设置，各第三石墨烯纳米条3与第一石墨烯纳米条1垂直设置，第一石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为70nm和25nm，第二石墨烯纳米条1的长度和宽度分别为50nm和12nm，各第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为12nm，各第三石墨烯纳米条3的长度和宽度分别为50nm和14nm，各第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为45nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第二石墨烯纳米条2相邻边之间的距离为12nm，耦合长度为12nm，第一石墨烯纳米条1与相邻的第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为12nm，相邻的第二石墨烯纳米条2与第三石墨烯纳米条3相邻边之间的距离为8nm，耦合长度为12nm。

实施例4

使用红外激光器在实施例1的器件正上方垂直照射，光谱仪在器件正下方进行透射光谱检测得到系统透射光谱，结果如图2所示。对系统透射光谱进行计算处理得到系统群延时图，结果如图3所示，在第一个透射窗口中心波长处的群时延可达到0.26ps，在第二个透射窗口中心波长处的群时延可达到0.172ps。因此，利用PIT效应具有的陡峭色散特性可以有效地减慢光速，从而实现双通道慢光器件，基于本申请的石墨烯纳米条超材料结构慢光器件可以实现双通道慢光，基于石墨烯纳米条超材料结构设置于硅衬底之上，形成了具有慢光功能的光学器件，在慢光集成器件方面有很大的应用潜力。

尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，其特征在于，包括：SiO2衬底（4），设置于所述SiO2衬底（4）上第一石墨烯纳米条（1）、可与所述第一石墨烯纳米条（1）直接耦合的若干第二石墨烯纳米条（2）以及可与所述第一石墨烯纳米条（1）间接耦合的若干第三石墨烯纳米条（3），各所述第二石墨烯纳米条（2）分别与所述第一石墨烯纳米条（1）平行设置，各所述第二石墨烯纳米条（2）之间可分别发生直接耦合；各所述第三石墨烯纳米条（3）与所述第一石墨烯纳米条（1）垂直设置，各所述第三石墨烯纳米条（3）之间以及各所述第三石墨烯纳米条（3）与各所述第二石墨烯纳米条（2）之间可分别发生直接耦合；

所述第一石墨烯纳米条（1）为1个；

所述第二石墨烯纳米条（2）以及所述第三石墨烯纳米条（3）分别为2个，所述第一石墨烯纳米条（1）的长度为60～70 nm，宽度为15～25 nm，各所述第二石墨烯纳米条（2）的长度分别为45～50 nm，宽度分别为8～12 nm，各所述第三石墨烯纳米条（3）的长度分别为45～50 nm，宽度分别为8～14 nm；

各所述第二石墨烯纳米条（2）以及各所述第三石墨烯纳米条（3）分别设置于所述第一石墨烯纳米条（1）的同侧，各所述第二石墨烯纳米条（2）相邻边之间的距离为8～12 nm，各所述第三石墨烯纳米条（3）相邻边之间的距离为6～10 nm，所述第一石墨烯纳米条（1）与相邻的所述第二石墨烯纳米条（2）相邻边之间的距离为8～12 nm，耦合长度为8～12 nm，所述第一石墨烯纳米条（1）与各所述第三石墨烯纳米条（3）相邻边之间的距离分别为8～12 nm，邻近各所述第二石墨烯纳米条（2）一侧设置的所述第三石墨烯纳米条（3）与邻近各所述第三石墨烯纳米条一侧设置的所述第二石墨烯纳米条（2）相邻边之间的距离为8～12 nm，各所述第三石墨烯纳米条（3）与任意一个所述第二石墨烯纳米条（2）之间的耦合长度分别为8～12 nm。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，其特征在于，所述第一石墨烯纳米条（1）、各所述第二石墨烯纳米条（2）以及各所述第三石墨烯纳米条（3）均由单层石墨烯组成，所述第一石墨烯纳米条（1）的化学势为0.30～0.31 eV，各所述第二石墨烯纳米条（2）的化学势分别为0.30～0.31 eV，各所述第三石墨烯纳米条（3）的化学势分别为0.30～0.31 eV。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，其特征在于，所述第一石墨烯纳米条（1）的长度和宽度分别为64 nm和20 nm，各所述第二石墨烯纳米条（2）的长度和宽度分别为48 nm和10 nm，各所述第二石墨烯纳米条（2）相邻边之间的距离为10nm，耦合长度为48 nm，各所述第三石墨烯纳米条（3）的长度和宽度分别为48 nm和12 nm，各所述第三石墨烯纳米条（3）相邻边之间的距离为8 nm，耦合长度为48 nm，所述第一石墨烯纳米条与各所述第二石墨烯纳米条相邻边之间的距离为10 nm，耦合长度为10 nm，邻近各所述第二石墨烯纳米条（2）一侧设置的所述第三石墨烯纳米条（3）与邻近各所述第三石墨烯纳米条一侧设置的所述第二石墨烯纳米条（2）相邻边之间的距离为8 nm，耦合长度为10nm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件，其特征在于，所述SiO₂衬底（4）的厚度为280～320 nm。

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