CN217739654U - 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 - Google Patents
一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN217739654U CN217739654U CN202221689185.8U CN202221689185U CN217739654U CN 217739654 U CN217739654 U CN 217739654U CN 202221689185 U CN202221689185 U CN 202221689185U CN 217739654 U CN217739654 U CN 217739654U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium niobate
- interdigital electrode
- electrode
- spatial light
- light modulator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，包括电极、波导层和基底，所述电极与波导层的顶部固定连接，所述电极为叉指电极，所述波导层设于基底的顶部。本实用新型采用石墨烯叉指电极，通过铌酸锂的电光效应带来的折射率变化，在铌酸锂内部形成等效光栅，具有超高的Q值。通过改变石墨烯叉指电极的周期以及条带宽度，可在可见光到近、中红外区域实现Q值极高的反射峰，同时通过控制叉指电极两端的电压，改变铌酸锂内部的折射率分布，实现反射率或透射率可调。本实用新型为在微纳尺度上构建高Q值、快响应的主动可调空间光调制器提供了新的途径。
Description
技术领域
本实用新型涉及光调制器技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器。
背景技术
空间光调制器一直是光学中的热门研究方向，它通过对光场加载时变信号，改变光的振幅、相位、偏振等，是光束控制、光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件。在很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。基于液晶的空间光调制器是目前成熟且广泛应用的技术，其原理是利用液晶的电致双折射效应以及电控向列扭曲效应，进行空间光的相位及振幅调制，制造工艺成熟熟且功耗较低。但液晶空间光调制器存在一个显著的缺陷，即调制速度较低，最快的铁电液晶空间光调制器也需要百微秒量级。
电光器件通过外加电场产生电光效应改变介质的折射率从而对其内部光进行调制，响应速度可达皮秒甚至飞秒量级，广泛应用于光通信领域中。但由于调整程度受限于器件体积以及场强，传统的电光器件体积大，电压高，且多应用与波导中，在空间光通信上应用较少。一方面是没有足够高电光系数的材料，另一方面也是由于器件的Q值过低，空间光传输损耗大。
近年来超表面的兴起则为解决这一问题开辟了道路。通过人工设计的周期性排布的亚波长介质纳米结构阵列，能够实现超常的物理性质。将光电系数高，损耗低的铌酸锂材料与导电性能好的二维材料石墨烯结合，构建超表面空间光调制器，使在微纳尺度上构建高Q值、快响应的空间光调制器成为了可能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，包括电极、波导层和基底，所述电极与波导层的顶部固定连接，所述电极为叉指电极，所述波导层设于基底的顶部。
进一步地，所述叉指电极为单层或少层石墨烯。
进一步地，所述波导层为铌酸锂薄膜层。
进一步地，所述基底为二氧化硅层。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型采用石墨烯叉指电极，通过铌酸锂的电光效应带来的折射率变化，在铌酸锂内部形成等效光栅，具有超高的Q值。通过改变石墨烯叉指电极的周期以及条带宽度，可在可见光到近、中红外区域实现Q值极高的反射峰，同时通过控制叉指电极两端的电压，改变铌酸锂内部的折射率分布，实现反射率或透射率可调。本实用新型为在微纳尺度上构建高Q值、快响应的主动可调空间光调制器提供了新的途径。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器的结构示意图。
图2中a为铌酸锂波导层单个周期内平均折射率随外部电场的变化曲线b为铌酸锂波导层在30V电压下的折射率变化分布图。
图3是本实用新型在石墨烯条带宽为20nm，外加电压为30V时整个结构的反射光谱图以及x、z方向电场Ex、Ez与电场模的比值分布图。
图4是本实用新型在不同石墨烯条带宽度下的反射光谱图。
图5是本实用新型在不同栅极电压下的反射光谱图。
图6是本实用新型在不同栅极电压下的透射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本实施例公开了一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，包括电极1、波导层2和基底3，所述电极与波导层的顶部固定连接，所述电极为叉指电极，所述波导层设于基底的顶部。
本实施例中，所述叉指电极为单层或少层(少于10层)石墨烯，所述波导层为铌酸锂薄膜层，所述基底为二氧化硅层。
参阅图1所示，P、G1、hwg和hs分别表示单层石墨烯叉指电极周期和条带宽度、铌酸锂和二氧化硅的厚度，选择铌酸锂(no＝2.286，ne＝2.203)作为波导层和二氧化硅(n＝1.46)作为基底材料，石墨烯作为顶部的叉指电极，电势为V0。同时在叉指电极的作用下，铌酸锂发生电光效应，在内部形成周期性的折射率分布，可看做具有超高Q值的等效光栅。在导模共振光栅中，特定波长和入射角的入射光在光栅面产生的衍射波与透射波发生相互作用，就能在波导中产生共振。
本实施例中，当添加栅极电压时，铌酸锂内折射率的周期性变化情况如图2所示。X-cut铌酸锂在x方向静电场作用下受到纵向电光调制，电光效应下折射率改变如下式：
公式中r33＝33pm/V是铌酸锂的电光系数，Ex是铌酸锂中的电场强度。由于表面叉指电极的特性，铌酸锂内部的静电场强度呈周期性变化。铌酸锂的折射率分布出现增大和减小区域的交替出现，形成等效光栅。而石墨烯电极铺在铌酸锂波导层的表面，使得电极边缘处的电场强度极大，会造成微小区域折射率的极大变化，如图2(b)，但整个周期内的平均折射率可以通过计算得到，如图2(a)。
本实施例中，在相位匹配条件下，导模共振模式可以在铌酸锂波导层中被外部入射波激发。使用三维有限元技术(在COMSOL Multiphysics中)，进行数值模拟，为了保证仿真结果的准确性，网格的最大单元大小为1nm。如图3所示，结构的参数为P＝300nm，G1＝20nm，hwg＝300nm，hs＝1um，V0＝30V，当入射光波长在703.27nm附近时，在铌酸锂波导层内生成的导模共振导致高达88.2倍的x方向电场放大和136.2倍的z方向电场放大，共振半峰宽(FWHM)约为0.0045nm，实现了约为156283的极高Q值，在703.2778nm处的反射峰峰值为94.50％。铌酸锂的高电光系数使其在光调制、光探测和其他应用方面具有巨大潜力。模型中石墨烯由电导率定义，电导率的公式如下；
σω＝σintra(ω)+σinter(ω)
式中σintra为石墨烯带内电导率，σinter为带间电导率，T为绝对温度，ω为光波的角频率，e＝1.602×10-19C为电子的带电量，kB＝1.381×10-23J·K-1为玻尔兹曼常量，h＝1.055×10-34J·s为约化普朗克常量，τ为载流子弛豫时间，表示载流子从非稳态向稳态转变所需的平均时间。
本实施例中，共振的波长和带宽可以通过结构的各种几何参数来设计。在石墨烯条带宽度G1为20nm-50nm时结构的反射光谱如图4所示。当G1＝20nm时，反射峰位于703.2778nm，峰值为94.50％，FWHM＝0.0045nm，Q值为156283，随着G1逐步增大，峰值逐渐下降，FWHM增加，在G1＝50nm时，反射峰位于703.2784nm，峰值为73.55％，FWHM＝0.0082nm，Q值为85765。石墨烯条带越宽，损耗影响越大，结构的Q值越低。
本实施例中，通过改变外加电压，能够大幅调节结构的反射率。图5展示了外加电压从0V到30V变化时结构反射光谱的变化。当外加电压为0时，铌酸锂内部折射率均为ne＝2.203，因此无法产生导模共振。随着外加电压增加，铌酸锂内部周期性变化的折射率差值逐渐增大；在外加电压较低时，折射率差值过小的铌酸锂等效光栅Q值过高，而由于石墨烯本身损耗的存在，Q值过高的模式反射峰值更低。因此随着外加电压的增大，反射光谱的Q值逐渐降低，但反射峰逐渐提高，当V0＝30V时，反射峰峰值达到了94.25％已经较为理想。同时，参阅图6所示，展示了外加电压从0V到30V时该结构的透射光谱。当电压不为0时，结构的透射率在703.2776nm附近，10V时透射率就已经降低至1.91％，可见低电压下能够实现显著的调制。
本实施例中，通过叉指电极使铌酸锂内通过电光效应形成了周期性折射率分布的等效光栅，在特定波长的入射光下形成的导模共振导致了强的局部场增强，使整个结构在703.2778nm处达到94.50％的反射率，且反射峰的Q值极高。此外，本实施例通过线性电光效应，铌酸锂的折射率可以通过改变外加电压来调节，从而控制整个结构的反射率。在703.2778nm处，通过将Vo从30V降低到0V，反射率降低至8％。本实施例的这一结果充分展示了LN集成高Q共振超表面在实现可见光和近红外波段电光可调谐纳米光电器件方面的应用前景。
虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，其特征在于，包括电极、波导层和基底，所述电极与波导层的顶部固定连接，所述电极为叉指电极，所述波导层设于基底的顶部。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，其特征在于，所述叉指电极为单层或少层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，其特征在于，所述波导层为铌酸锂薄膜层。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器，其特征在于，所述基底为二氧化硅层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221689185.8U CN217739654U (zh) | 2022-07-02 | 2022-07-02 | 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202221689185.8U CN217739654U (zh) | 2022-07-02 | 2022-07-02 | 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN217739654U true CN217739654U (zh) | 2022-11-04 |
Family
ID=83844005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202221689185.8U Active CN217739654U (zh) | 2022-07-02 | 2022-07-02 | 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN217739654U (zh) |
-
2022
- 2022-07-02 CN CN202221689185.8U patent/CN217739654U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fakhri et al. | Theoretical study of a pure LinbO3/Quartz waveguide coated gold nanorods using supercontinuum laser source | |
| Shi et al. | Field-effect optical modulation based on epsilon-near-zero conductive oxide | |
| Kang et al. | Dual-controlled tunable terahertz coherent perfect absorption using Dirac semimetal and vanadium dioxide | |
| Pernice et al. | Design of a silicon integrated electro-optic modulator using ferroelectric BaTiO 3 films | |
| CN103105686A (zh) | 反射式太赫兹可调谐偏振控制器 | |
| Han et al. | Ultrafast and low-power dynamically tunable plasmon-induced transparencies in compact aperture-coupled rectangular resonators | |
| Zhang et al. | Tunable plasmon induced transparency in a metallodielectric grating coupled with graphene metamaterials | |
| Li et al. | Theoretical and simulation study of dynamically tunable sensor based on liquid crystal-modulated Fano resonator in terahertz band | |
| Xiao et al. | A terahertz modulator based on graphene plasmonic waveguide | |
| CN110488510A (zh) | 一种基于ito介电常数近零效应的偏振调控超构表面光器件 | |
| CN107357111B (zh) | 一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法 | |
| CN217739654U (zh) | 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 | |
| Liu et al. | Dynamic tunable narrow-band perfect absorber for fiber-optic communication band based on liquid crystal | |
| Zhang et al. | Defect modes tuning of one-dimensional photonic crystals with lithium niobate and silver material defect | |
| Chen et al. | Extraordinary optical characteristics of one-dimensional double anti-PT-symmetric ring optical waveguide networks | |
| CN115032822A (zh) | 一种基于石墨烯叉指电极的铌酸锂超表面空间光调制器 | |
| CN111090146A (zh) | 一种宽带温度不敏感和低色散的铌酸锂光波导结构及其应用 | |
| CN113900281B (zh) | 一种基于石墨烯电极的铌酸锂超表面空间光调制器 | |
| Kosugi et al. | Surface-normal electro-optic-polymer modulator with silicon subwavelength grating | |
| CN111708111B (zh) | 一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构 | |
| US10481433B1 (en) | Dynamic optical and RF devices based on structured plasmonics and liquid crystal hybrids | |
| Modi et al. | All dielectric metasurface based tunable optical modulator: Design and analysis | |
| Qiu et al. | All-dielectric tunable metasurface based on guide-mode resonance and ENZ effects | |
| Hu et al. | Dynamically tunable single-/dual-band of the graphene absorber with a resonant asymmetric grating based on lithium niobate on insulator | |
| Ding et al. | Dual-frequency tunable unidirectional reflectionless propagation in non-Hermitian graphene plasmonic waveguide system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |