CN111983827A - 一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，包括：衬底，以及覆盖在衬底上的调制层，调制层上通过光刻‑镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，金属纳米圆柱阵列作为电极一，调制层上通过镀膜设有电极二，调制层为石墨烯；石墨烯层直接生长或者转移至衬底上，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压，介质层的材料为光刻胶，光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，通过二次双光束全息光刻工艺形成介质层，本发明提供一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，以解决现有石墨烯光开关调制深度较低和制备复杂的问题，实现了一种与入射偏振无关，结构和制备相对简单，具有优异调制深度和调制带宽的反射式光开关。

Description

一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关

技术领域

本发明涉及一种光学器件领域，尤其涉及一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关。

背景技术

随着光通迅产业的快速发展，微纳光电子器件凭借其优异的性能和超小的体积以及可与光纤集成的优势，受到人们广泛的关注。石墨烯作为一种可调谐材料有优异的光学和电学性质，凭借其超高的载流子迁移率，可以通过外加电压的方式，使石墨烯的电调节速率达到GHz，从而被应用于超快光电器件，如光电探测器等，其在光通讯领域的应用也受到越来愈多的关注。

由于石墨烯特殊的光学性质，在中红外到太赫兹波段，可以通过激发石墨烯表面等离子体来增强其对电磁场的吸收和局域作用，进而实现对电磁场的调控。然而，在可见光到近红外波段(包括光通讯波段)，石墨烯无法被激发表面等离子体，这使得石墨烯难以在光通迅波段通过表面等离子激元实现器件的调节和操控。

为了提高石墨烯对可见光及近红外波段电磁波的吸收率，往往通过将石墨烯与谐振腔或光子晶体结合，通过腔内多次反射或光子局域等方式来增强石墨烯的对入射光的吸收能力。例如：Polat等提出的基于石墨烯超级电容的光调制器是将石墨烯作为电容器的两个平行电极板，中间充满电解质。入射光进入结构后在两个石墨烯电极板间多次反射，增强了石墨烯对光的吸收。当给石墨烯两端施不同的偏置电压时，石墨烯的吸收率会发生变化，从而实现450nm到2m波段内35％的光学透过率调制深度(参见[Emre O.Polat,et.al.,"Broadband Optical Modulators Based on Graphene Supercapacitors",Nano Letters,vol.13,no.(12),pp.5851-5857,2013])。在此之上，还可以引入微纳结构超表面，提高石墨烯与光的相互作用。例如：Cai等人将石墨烯引入到基于金属狭缝-介质-金属(MDM)表面等离子共振结构中，通过调控石墨烯的费米能级而改变石墨烯的光学性质(介电常数)将能显著调控相邻金属狭缝及MDM腔内表面等离子的耦合效应，从而调控吸收体的共振吸收波长，对TM入射光的进行反射调制，实现在近红外(1000-2400nm)波段的完美吸收，在1950nm波长处的反射率可在45％和6％的之间实现开关调制。(参见[Yijun Cai,et.al.,"Enhancedspatial near-infrared modulation of graphene-loaded perfect absorbers usingplasmonic nanoslits",Optics Express,vol.23,no.(25),pp.32318-32328,2015])。在本发明前，中国发明专利(CN108563040A)基于石墨烯/金属混合结构的光开关。通过将石墨烯置于金属-介质-金属的结构中，利用谐振腔增强了光与石墨烯的相互作用，通过给石墨烯施加直流偏置电压改变了石墨烯的光学性质，从而影响金属光栅的等离子体共振峰的位置，对TM线偏振光实现光开关的功能。但是其同时只能对单一波长实现光开关的功能，而且金属光栅结构增加了对入射光偏振态的依赖，而刻蚀金属光栅大幅增加了制备和应用的难度。

上述基于石墨烯的光学器件虽然具备一定的调节能力，但对入射光的偏振态有一定的依赖性，且石墨烯与电场弱的相互作用和复杂的制备工艺限制了石墨烯光开关的调制深度和应用前景。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，包括：衬底，以及覆盖在所述衬底上的调制层，其特征在于：所述调制层上通过光刻-镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，所述金属纳米圆柱阵列作为电极一，所述调制层上通过镀膜设有电极二，所述调制层为石墨烯；至少一层所述石墨烯直接生长或者转移至所述衬底上；所述介质层的材料为光刻胶，所述光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，形成一层均匀的光刻胶薄膜，通过二次双光束全息光刻工艺形成所述介质层。

本发明一个较佳实施例中，所述金属纳米圆柱阵列的材料为金属铝。

本发明一个较佳实施例中，利用镀膜工艺将所述金属铝均匀地沉积于所述介质层的上表面，且完全覆盖并包裹住介质层。

本发明一个较佳实施例中，所述电极二沉积在未被所述纳米圆柱阵列覆盖的所述调制层的上方。

本发明一个较佳实施例中，所述电极二的材料为金、银或铜金属。

本发明一个较佳实施例中，所述衬底的材料为二氧化硅。

本发明一个较佳实施例中，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压。

本发明一个较佳实施例中，所述光开关的调制深度定义为：

其中R_on和R_off分别为光开关打开和关闭时的反射率。

本发明一个较佳实施例中，所述石墨烯的层数为15层。

本发明一个较佳实施例中，所述介质层的厚度为190nm。

本发明一个较佳实施例中，所述金属纳米圆柱阵列的周期为250nm，直径为200nm。

本发明一个较佳实施例中，所述光开关结构在通讯波段1400-1700nm范围内。

本发明一个较佳实施例中，所述光开关的调制深度最高可以达到99.77％(26.35dB)。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

(1)本发明所提供的基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，将石墨烯的调制层与金属纳米圆柱阵列耦合，利用金属铝圆柱阵列可以被激发磁等离子体共振效应，在磁等离子体共振效应条件下，石墨烯与入射光的相互作用显著增强导致石墨烯的吸收显著增加，使得反射光显著减小。

(2)本发明中当石墨烯的费米能级改变时，石墨烯的介电常数发生改变，从而改变金属铝圆柱阵列的磁共振效应的频率和振幅，实现光开关的功能，进而增大光开关的调制深度；

且由于上述结构采用了二维的铝圆柱阵列，对于入射光的两个相互垂直的偏振方向(TE光和TM光)具有对称性，由于任意偏振态的入射光都可以分解为两个相互垂直的TE光和TM光，因而该结构的光开关功能与入射光的偏振态无关(无论入射光是TE、TM光或自然光)；

同时该结构可通过大面积紫外曝光结合金属镀膜的方法实现，无需对金属进行离子刻蚀，大大减小了实验制备难度。

(3)本发明中光开关在通讯波段1400-1700nm范围内，调制深度大于91.36％(10.63dB)，最大可以达到99.77％(26.35dB)。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明的优选实施例的立体结构图；

图2是本发明的优选实施例的沿圆孔直径切割的两个单元的截面图；

图3是本发明中有石墨烯(未施加电压)和无石墨烯时的反射率和吸收率谱线图；

图4是本发明中石墨烯光开关在费米能级0.5-3.0μm反射率曲线图；

图5是本发明的优选实施例的反射率随结构尺寸变化曲线图；

图6是本发明的优选实施例的反射率随石墨烯层数的变化曲线图；

图7是本发明中石墨烯光开关在费米能级1400-1700nm反射率曲线图；

图中：1、衬底；2、调制层；3、介质层；4、金属纳米圆柱阵列(电极一)；5、电极二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“实施例”、“一个实施例”、或“一些实施例”的多次出现不一定全都指代相同的实施例。如果说明书描述了部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必需被包括的。如果说明书或权利要求提及“一”元件，并非表示仅有一个元件。如果说明书或权利要求提及“一另外的”元件，并不排除存在多于一个的另外的元件。

在本发明的描述中，除非另外规定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”及“第三”等来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1以及图2所示，一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，包括：衬底1，衬底1上覆盖有调制层2，调制层2上通过光刻-镀膜设有介质层3，金属纳米圆柱阵列4(电极一)，衬底1上方未被所述纳米圆柱阵列覆盖的所述调制层2的上方通过镀膜设有电极二5，所述调制层2为石墨烯。

需要说明的是，特殊的能带结构使得在石墨烯两端施加偏置电压时，其表面电导率σ会发生很大的改变，从而会影响石墨烯的介电常数ε_g：

式中：ε₀为真空介电常数；ω为角频率；t为石墨烯的厚度；局部随机相位近似计算得到石墨烯的表面电导率约为：

式中：e表示元电荷；k_B表示玻尔兹曼常量；

表示约化的普朗克常量；T表示温度为300K；E_f表示石墨烯的费米能级；载流子弛豫时间τ是0.25ps；载流子散射率τ^-1＝4THz。

由于铝圆柱被设计为二维阵列排列，因此对入射光无偏振依赖性，入射光可为自然光，TE光或TM光。入射光从下至上垂直入射。在石墨烯和金属铝表面制作电极，从而可在石墨烯上施加垂直方向上的直流偏置电压从而调制反射光的光强，实现光开关的功能。

光开关的性能可由光的调制深度决定(MD，Modulation Depth)。通过给石墨烯施加一个直流偏置电压来改变其介电常数，从而调控器件的光的反射率。在直流偏置电压为零时，由于石墨烯与入射光的相互作用显著增强导致石墨烯的吸收显著增加，因而反射率接近于0，表现为反射的“OFF”状态；当直流偏置电压大于零时，石墨烯对光的吸收能力减弱，当光反射率接近于1时，表现为反射光的“ON”状态。光开关的调制深度可以定义为：

应当意识到，石墨烯在不同费米能级时，金属纳米圆柱阵列4周围的介电常数发生改变，从而影响金属纳米圆柱阵列4激发的磁等离子共振的振幅和频率；

如图1所示，自然光入射至衬底1中，经过衬底1后到达调制层2，与石墨烯发生作用，在近红外波段，石墨烯作为损耗介质吸收电场能量，剩余的电场能量继续向介质层3和金属纳米圆柱阵列4传播，由于金属纳米圆柱阵列4可激发磁等离子体共振，电场能量被局域在金属纳米圆柱阵列4的狭缝中，在不同费米能级下反射光谱的变化可以从石墨烯的介电常数随费米能级的变化进行理解，由于石墨烯位于铝圆柱的下面，当石墨烯的费米能级发生改变时，铝圆柱周围的介电常数将会随之改变。

需要说明的是，本发明采用采用计算软件FDTD Solutions 2018a，版本号为8.19.1584进行数值计算，入射光是电场振动方向沿x轴的线偏振光。由于二维结构的对称性，入射光的电场振动方向沿y轴的线偏振光与沿x方向是完全一样的，铝圆柱的周期P＝250nm，直径D＝200nm，高度H＝190nm，石墨烯的层数为15层。图3分别给出了铝圆柱下方没有石墨烯(其它参数和有石墨烯时完全一样)和有石墨烯但未施加电压时的反射率谱线和吸收率谱线。为了对比理解，图3(a)也给出了无结构时均匀的铝薄膜(厚度30μm)的反射率曲线。从图3(a)可以看出，有/无石墨烯时的反射率曲线在波长为0.85μm处的一个反射率较低的峰，这是由于铝的本征吸收峰引起的反射率变化。进一步对比有/无石墨烯的反射率可以看出：当结构中没有石墨烯时，在波长为1.50μm时有一个共振峰，反射率60.98％；然而与之形成鲜明的对比，当有石墨烯层时，在1.54μm的共振峰处的反射率突然降至0.18％，表面该结构对光的吸收能力大幅地增加了。为了进一步了解位于界面处的石墨烯对结构的吸收产生的影响，我们利用FDTD仿真软件在铝圆柱和玻璃的界面两侧5nm处放置了两个透射率监视器(即一个监视器在界面的玻璃一侧，另一个监视器在界面的铝圆柱一侧)，以此计算界面处产生的吸收。如图3(b)所示，发现在无石墨烯时，除去铝的本征峰的影响，在界面处的吸收率基本为零，此时的吸收主要是由于铝圆柱本身产生的本征吸收峰引起的。在波长λ＝1.50μm处的吸收率最高为39.02％，这是由于铝圆柱激发磁等离子体共振产生的共振吸收。图3(c)给出了当结构中有石墨烯时的吸收率光谱，此时结构在λ＝1.54μm处的吸收率最高可以达到99.82％。通过对两个透射率监视器的计算，可以得到在铝与玻璃界面处的吸收率，也即为石墨烯的吸收率。从图3(c)中可以看出此时石墨烯吸收在总吸收中起到主要作用，在波长λ＝1.54m处的吸收率最高可以达到86.61％，而铝在波长λ＝1.54μm的吸收只有13.21％，相比于无石墨烯时的裸铝圆柱在λ＝1.54μm的吸收率(37.43％，图3(b)中λ＝1.54μm处的吸收率下降了24.22％，这说明光在进入铝圆柱阵列之前已经被石墨烯吸收了大部分的能量，剩下的光场能量未达到铝圆柱的吸收极限，因此有石墨烯的铝圆柱阵列结构在波长1.54μm处可以实现完美吸收。

又因为如图4所示当费米能级从0eV增加到0.3eV时，石墨烯的介电常数实部增大，虚部减小，因此一阶共振峰从1.54μm红移至1.69μm，且反射率略微增大，从0.18％增大到0.59％；当费米能级从0.3eV增大到0.5eV时，由于石墨烯的介电常数的实部和虚部同时减小，因此使共振峰逐渐从1.69μm蓝移至1.16μm，反射率从0.58％增加到55.20％；当费米能级从0.6eV增大到1.0eV时，一阶峰完全消失，二阶峰从1.82μm红移至1.60μm，反射率从64.42％减小到55.35％，这是由于石墨烯的实部进一步减小，但虚部略微增加导致的。上述共振频率随介电常数的变化规律与磁等离子体共振的变化规律相符，即共振峰的频率对金属周围介质折射率极为敏感，随着介质折射率的增加而逐渐红移。基于在有石墨烯时共振峰处反射率的巨大变化，我们可利用此特性并同时结合石墨烯的电调谐特性进行光开关功能的设计。

还需要说明的是，图5(a)为固定D＝200nm，H＝190nm，石墨烯的层数为15层，不同铝圆柱周期P的反射率图，当铝圆柱的周期P从230nm增加到270nm，Ef＝0eV时，一阶共振峰(MP1)逐渐蓝移，反射率先减小再增大；Ef＝0.5eV时，一阶共振峰(MP1)也表现为蓝移趋势，但反射率逐渐减小；Ef＝0.6eV时一阶共振峰(MP1)基本消失，二阶共振峰(MP2)有红移趋势，反射率逐渐增大。当周期P为250nm时，通过调节费米能级可以实现对反射光的调制，实现优异的光开关的功能：在费米能级Ef＝0eV时，由于接近于0的反射率，光开关为“OFF”状态，当费米能级Ef＝0.5eV或0.6eV时，反射率接近于0.7，为光开关的“ON”状态。根据公式(3)可计算出，波长λ＝1.54μm处的调制深度最大为99.77％(26.35dB)。增大到230nm时，Ef＝0eV时，一阶共振峰(MP1)逐渐红移，反射率先减小再增大；Ef＝0.5eV时，一阶共振峰(MP1)也表现为红移趋势，但反射率逐渐增大；Ef＝0.6eV时二阶共振峰(MP2)有蓝移趋势，反射率逐渐减小。铝圆柱直径D对共振峰频率和大小的影响与周期P相反，这是由于铝圆柱直径D和周期P的改变，使得铝圆柱之间的介质沟槽的宽度发生了变化，介质沟槽的宽度较大时，一阶共振峰共振效应较强，随着沟槽宽度的减小，一阶共振峰(MP1)共振效应减弱并逐渐红移，此时二阶共振峰(MP2)共振增强，并逐渐蓝移。

图5(b)为固定P＝250nm，H＝190nm，石墨烯的层数为15层，不同铝圆柱直径D的反射率曲线。当改变铝圆柱的直径D时，可以观察到随着D从180nm增大到230nm时，Ef＝0eV时，一阶共振峰(MP1)逐渐红移，反射率先减小再增大；Ef＝0.5eV时，一阶共振峰(MP1)也表现为红移趋势，但反射率逐渐增大；Ef＝0.6eV时二阶共振峰(MP2)有蓝移趋势，反射率逐渐减小。铝圆柱直径D对共振峰频率和大小的影响与周期P相反，这是由于铝圆柱直径D和周期P的改变，使得铝圆柱之间的介质沟槽的宽度发生了变化，介质沟槽的宽度较大时，一阶共振峰共振效应较强，随着沟槽宽度的减小，一阶共振峰(MP1)共振效应减弱并逐渐红移，此时二阶共振峰(MP2)共振增强，并逐渐蓝移。

图5(c)为固定P＝250nm，D＝200nm，石墨烯的层数为15层，不同铝圆柱高度H的反射率曲线。可以看到随着铝圆柱的高度H从170nm增到210nm，一阶和二阶共振峰都逐渐红移，并且Ef＝0.5eV的一阶共振峰(MP1)的反射率逐渐增大，共振减弱，此时二阶共振峰(MP2)共振吸收增强，反射率逐渐减小。Ef＝0eV的反射率基本保持不变，但是共振峰的波长从1.39μm红移至1.66μm。因此可利用此特性来调控光开关的工作波长或优化光开关的调制深度。

上述仿真计算过程中，将石墨烯的厚度设置为15层，实际上，石墨烯的层数变化也会对器件的性能产生影响。将固定光开关的其它结构参数，探究石墨烯的层数对器件性能的影响，图6为固定P＝250nm，D＝200nm，H＝190nm，不同石墨烯层数时的反射率图。从图6可以看出石墨烯的层数对一阶共振峰(MP1)的频率几乎没有影响，对二阶共振峰(MP2)的频率影响也比较小。但是石墨烯的层数变化对共振峰的大小产生影响，从而影响光开关的调制深度。从图6可见，当石墨烯从10层增加到15层时，在波长λ＝1.54μm处的最大调制深度从94.08％(12.27dB)增加到99.77％(26.35dB)，当石墨烯层数继续增加至20层，在波长λ＝1.54μm处的最大调制深度下降至99.22％(21.12dB)。因而，在本结构中，石墨烯的最佳层数在15层左右。

综上所述，本发明一个优选实施例中采用以1550nm为中心波长，图7给出了在通讯波段1400-1700nm范围内的器件的优化的光学反射特性。优化的结构参数为：P＝250nm，D＝200nm，H＝190nm，石墨烯的层数为15层。如图7所示，该结构在通讯波段1400-1700nm范围内，当费米能级从0eV增加到0.6eV时，反射率逐渐增加并达到最大，当费米能级从0.6eV增加大1.0eV时，反射率逐渐减小。当费米能级在Ef＝0eV或0.2eV附近时，反射率接近于0，表现为强吸收，为“OFF状态”，当费米能级为0.6eV附近时，反射率可以达到65％以上，表现为强反射，为“ON状态”。在1400-1700nm整个光通讯范围内的最小调制深度91.36％(10.63dB)，在λ＝1544nm处的调制深度最高可以达到99.77％(25.36dB)。

本发明所提供的基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，将石墨烯的调制层2与金属纳米圆柱阵列4耦合，利用金属铝圆柱阵列可以被激发磁等离子体共振效应，在磁等离子体共振效应条件下，石墨烯与入射光的相互作用显著增强导致石墨烯的吸收显著增加，使得反射光显著减小。当石墨烯的费米能级改变时，石墨烯的介电常数发生改变，从而改变金属铝圆柱阵列的磁共振效应的频率和振幅，实现光开关的功能，进而增大光开关的调制深度。由于该结构采用了二维的铝圆柱阵列，因而该结构的光开关功能与入射光的偏振态无关(无论入射光是TE、TM光或自然光)。同时该结构可通过大面积紫外曝光结合金属镀膜的方法实现，无需对金属进行离子刻蚀，大大减小了实验制备难度。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，包括：衬底，以及覆盖在所述衬底上的调制层，其特征在于：

所述调制层上通过光刻-镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，所述金属纳米圆柱阵列作为电极一，所述调制层上通过镀膜设有电极二，所述调制层为石墨烯层，至少一层所述石墨烯层直接生长或者转移至所述衬底上，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压；

所述介质层的材料为光刻胶，所述光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，形成一层均匀的光刻胶薄膜，通过二次双光束全息光刻工艺形成所述介质层。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述金属纳米圆柱阵列的材料为金属铝。

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：利用镀膜工艺将所述金属铝均匀地沉积于所述介质层的上表面，且完全覆盖并包裹住介质层。

4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述金属纳米圆柱阵列按二维阵列排列。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述电极二沉积在未被所述纳米圆柱阵列覆盖的所述调制层的上方。

6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述电极二的材料为金、银或铜金属。

7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述衬底的材料为二氧化硅。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述光开关的调制深度定义为：

，其中

和

分别为光开关打开和关闭时的反射率。

9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述介质层的厚度为190 nm。

10.根据权利要求9所述的一种基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，其特征在于：所述金属纳米圆柱阵列的周期为250 nm，直径为200 nm。

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