CN114442205B - 基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及亚波长光子学及集成光子学技术领域，特别是一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置，从上至下依次为石墨烯平板和衬底。本发明配置简单，易于制备和拉伸，从而为应用于纳米光电子器件设计和集成提供理想的亚波长信号调制装置。
Description
技术领域
本发明涉及亚波长光子学及集成光子学技术领域，特别是一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置。
背景技术
基于石墨烯的等离激元调制器具有调制频率高，波长范围大和易于调控等诸多优点。目前基于石墨烯等离激元的调制器受到了研究者广泛的关注，比如，将石墨烯覆盖在光波导的顶部集成石墨烯光调制器,通过对石墨烯层施加驱动电压调节石墨烯的费米能级以实现对等离激元信号的调制；在石墨烯基底上设计不同的微结构并通过加电压进行调控，实现对石墨烯等离激元传播路径的调制。也可以利用石墨烯加载的布拉格反射器的波导结构实现表面等离激元的定向调制。或者通过设计石墨烯-氮化硼异质结构，调节石墨烯的载流子迁移率或者改变氮化硼的厚度，实现对石墨烯等离激元主动可协调的调制。此外，磁光、非线性耦合也被发现可以用于实现对传播的石墨烯等离激元的调制。这些调制手段主要包括基于光、电、磁和微结构的调制。但这些基于石墨烯等离激元效应的调制器也面临着一系列的问题和挑战，比如结构复杂，受限于现有的微纳加工技术，在实验和实际应用中面临着很难构建出精确的样品，难以实现集成等问题。因此，有必要寻找新的调控途径以实现简单易行的基于石墨烯等离激元调制器。
发明内容
本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置。
具体技术方案如下；
一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置，从上至下依次为石墨烯平板和衬底。
优选地，石墨烯为CVD生长或机械剥离的单层石墨烯，其尺寸可根据实际需求选择。
优选地衬底为柔性基底PDMS或PET以实现石墨烯的动态拉伸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一是结构简单，不需额外加工，可以打破所面临的受限于现有的微纳加工技术的瓶颈，并且可以在面内任意方向实现对等离激元信号的自由调制，有利于集成光子学器件的设计；二是工作波长宽，在支持石墨烯等离激元的中红外到太赫兹任意波长均可调制，其调制频率可达300MHz；三是在同一工作波长下，可以通过施加不同的应力，来实现不同波长石墨烯等离激元的激发，从而实现对石墨烯等离激元信号的多维度调控；四是应力调控技术能够在更多场合得到应用，比如在生物医学领域、可穿戴电子产品、机器人“皮肤”等方面。
附图说明
图1是本发明实施例的石墨烯等离激元信号调制装置示意图；
图2a是本发明实施例在不施加拉力时，石墨烯等离激元信号在面内传播图；
图2b是本发明实施例在施加拉力时，石墨烯等离激元信号在面内传播对比图；
图2c是本发明实施例在不施加拉力时，石墨烯等离激元信号在面内传播示意图；
图2d是本发明实施例在施加拉力时，石墨烯等离激元信号在面内传播对比示意图；
图3a是本发明实施例在不施加拉力时，石墨烯等离激元信号在动量空间图；
图3b是本发明实施例在施加拉力时，石墨烯等离激元信号在动量空间的对比图；
图4a和图4b是本发明实施例在拉力方向沿y轴且应变模量为20％时，石墨烯等离激元信号在x轴和y轴的波矢和传播距离随入射光子能量的变化图。
图5a和图5b是本发明实施例在不同应变模量k和拉伸方向下，x方向的石墨烯等离激元的波矢和传播距离图。
图6a-图6d是本发明实施案例在不同波长，不同应变模量和不同拉伸方向下，沿着x方向和y方向传播的石墨烯等离激元的调制深度。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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创造和简化描述，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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”“固连”“固接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1 所示，一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置，在该实施例中，石墨烯1的尺寸可根据实际需求选择，衬底2为可用于拉伸的柔性基底PDMS 或PET。为方便解释说明，建立笛卡尔坐标系如图例1所示，选择石墨烯的锯齿边为x方向，假设石墨烯的拉伸方向与锯齿边的夹角为θ，应变模量为K，在不破坏晶格结构的前提下，K的取值范围为0-0.20。
ρ＝0.165为石墨烯的泊松比
温度T＝300K。
采用有限元法，进行模拟仿真，在仿真中，石墨烯面内的尺寸选择为20um×20um，石墨烯的厚度取d＝0.5nm。石墨烯的费米能级EF＝0.4eV，载流子迁移率μ＝3000cm2/Vs。
如图2a-图2d所示，在距离石墨烯表面10nm处，放置以波长11.6um沿z 方向震荡的偶极子来模拟近场激发，得到z方向电场分布和电场强度分布图。在没有拉力作用时，石墨烯处于各项同性，激发出的石墨烯等离激元在面内的传播也处于各向同性，如图2(a)和(c)所示。然后在y方向对石墨烯施加应变模量大小为0.20的拉力，如图3(b)和(d)所示，石墨烯等离激元以各向异性的方式传播，大部分能量沿着x方向传播。即在不同的方向上施加拉力，石墨烯等离激元将朝着与之垂直的方向传播。
如图3a和图3b所示，通过对图2a-2d做傅里叶变换，得到石墨烯等离激元在动量空间色散图，从图中可以看到，当激发波长为11.6um时，对于没有施加拉力的石墨烯，在各个方向激发的石墨烯等离激元的波矢均为18.7k0，其中 k0为真空中的波矢量，即在各个方向石墨烯等离激元的波长被压缩了18.7倍。当在y方向施加应变模量为0.20的拉力时，x方向的波长为11.8k0，y方向的波长为41.6k0，其色散曲线变为椭圆，实现对石墨烯等离激元传播方向的调制。
如图4a和图4b所示，解析计算了当拉力方向沿y轴且应变模量为0.20时，石墨烯等离激元的本征模式，从图中可以沿x轴和y轴的波矢和传播距离随不同激发波长的变化而变化，但对于不同的激发波长，其传播特性保持一致。即本发明实施案例所提出的基于应力调控技术的石墨烯等离激元调制器在可以支持石墨烯等离激元的中红外到太赫兹波段均可实现对石墨烯等离激元信号的调制。
如图5a和图5b所示，选取任意激发波长，如11.6um，石墨烯等离激元波矢和传播长度随不同拉伸方向和应变模量的变化，从图中可以看出，在不同拉伸方向下，石墨烯等离激元本征模式呈周期性变化，且石墨烯等离激元的波矢和传播长度随应变模量的变化为变化，从而在同一工作波长下实现对石墨烯等离激元信号的多维度调控。因此本发明实施案例所提出的基于应力调控技术的石墨烯等离激元调制器不依赖于工作波长等因素，并且可以简单地通过在不同的方向施加拉力来实现在任意方向对等离激元信号的自由调制。
如图6a-图6d所示，取不同的激发波长，不同的应变模量和不同的拉伸方向，解析计算了沿着x轴和y轴传播的石墨烯等离激元的波矢及传播长度的调制深度。从图中可以看出，对于不同的波长，石墨烯等离激元的波矢和传播长度调制深度一致，最大约为3.5。
对于不同的拉力方向和应变模量，其调制深度随之变化，从而实现多维度的调控。
本发明公开一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装，本发明作为一种新型的信号调制器，兼具结构配置简单和易于制备集成的优点，在纳米光电集成回路中将具有极大的应用潜力。
则在应力作用下，石墨烯电导率可表示为以下张量的形式:以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于应力调控技术的石墨烯等离激元信号调制器装置，其特征在于：从上至下依次为石墨烯平板和衬底；
石墨烯为CVD生长或机械剥离的单层石墨烯，其尺寸根据实际需求选择；
衬底为柔性基底PDMS或PET以实现石墨烯的动态拉伸；
选择石墨烯的锯齿边为x方向，假设石墨烯的拉伸方向与锯齿边的夹角为θ，应变模量为κ，在不破坏晶格结构的前提下，κ的取值范围为0-0.20；拉伸作用下石墨烯的电导率为：
；
；
：
；
；
温度T=300K;
在不同的方向上施加拉力，石墨烯等离激元将朝着与之垂直的方向传播；
在支持石墨烯等离激元的中红外到太赫兹波段均实现对石墨烯等离激元信号的调制。
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