一種基于石墨烯的光定向耦合器件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種基于石墨稀的光定向親合器件。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是碳原子緊密堆積成單層蜂窩狀晶格結構的碳質材料，它有著超寬帶的光 學響應譜、極強的非線性光學特性以及與硅基半導體工藝的兼容性，使其在新型光學和光 電器件領域具有得天獨厚的優勢。在一定條件下，石墨烯表面傳導電子與光子相互作用形 成耦合電磁模(即，表面等離激元)。該耦合電磁模最大的優點在于其能夠突破衍射極限，可 作光耦合器件中的信息載體。
[0003] 傳統的光定向耦合器件存在不能主動控制、切換光信號，損耗高、局域程度低、尺 寸較大、激發波段窄、不可調諧等不足之處。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種能主動控制、切換光 信號的石墨烯光定向耦合結構。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：一種基于石墨烯的光定向耦合 器件，包括平行光發生器和光定向耦合結構；所述平行光發生器位于光定向耦合結構的上 方；所述光定向耦合結構從上至下依次包括含雙狹縫的金屬薄膜、上層二氧化硅層、石墨烯 層、下層二氧化硅和背柵極；所述石墨烯層和背柵極之間設置有可調電源；所述平行光發 生器產生一束TM模式電磁波斜射在雙狹縫金屬薄膜上，在狹縫出口表面形成親合電磁模， 該耦合電磁模在金屬薄膜與石墨烯之間的上層二氧化硅介質層中傳輸。利用兩狹縫產生的 電磁模之間的位相差，可在不同方向實現不同的干涉現象(例如，干涉相長和干涉相消），從 而達到光信號定向耦合的目的。石墨烯放置在附有P型摻雜硅介質襯底的下層二氧化硅介 質上面，將P型摻雜硅介質層作為背柵極，在石墨烯與背柵極之間外加電壓。改變背柵電壓 可調節石墨烯費米能級，石墨烯費米能級的變化影響著耦合電磁模的有效折射率，進而調 控耦合電磁模之間的位相差，可在一個方向上實現由干涉相長到干涉相消之間的轉換，耦 合電磁模的傳輸方向得以主動操控。
[0006] 本發明中，所述金屬薄膜為銀薄膜。對于入射的電磁波，銀或金可視為理想導體， 從而減少本發明基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。
[0007] 本發明中，所述金屬薄膜和上層二氧化娃的厚度均在30-100nm之間。
[0008] 本發明中，所述金屬薄膜的厚度為50nm，所述上層二氧化娃的厚度為40nm。
[0009] 本發明中，所述背柵極為p型摻雜硅介質層，所述p型摻雜硅介質層附著在下層二 氧化娃介質層的下面。
[0010] 本發明中，所述下層二氧化娃的厚度在50--100nm之間，所述P型摻雜娃介質層的 厚度在200-1000nm之間。
[0011] 本發明中，所述下層二氧化娃的厚度為80nm ;所述p型摻雜娃介質層的厚度為 500nm〇
[0012] 上述的光定向耦合結構可通過如下過程制備：將一剝離的石墨烯轉移至附有P型 摻雜硅介質襯底的二氧化硅介質上，然后在石墨烯上依次沉積二氧化硅和銀，最后利用電 子束刻蝕技術在銀膜上刻蝕倆狹縫。
[0013] 與現有技術相比，本發明的優點在于：（1)本發明基于目前極為成熟的微納刻蝕 加工技術以及多層膜技術，制作過程不繁雜，操作簡單。與傳統的光定向耦合器件相比，石 墨烯的引入大大縮小了耦合器件的尺寸。（2)本發明通過柵極電壓調節石墨烯的費米能 級來調控光信號的耦合方向，實現了對光信號的主動控制，而且所需的功耗較小，響應速度 快，具有很寬的工作頻。（3)本發明提出控制光耦合方向的結構及其原理，為今后研發具有 開關、調制等多功能維納光源奠定基礎。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明基于石墨烯的光定向耦合器件的結構示意圖。
[0015] 圖2為實施例1的結構示意圖。
[0016] 圖3為實施例2的結構示意圖。
[0017] 圖例說明 1、金屬薄膜；2、上層二氧化娃層；3、石墨稀層；4、下層二氧化娃層；5、背柵極；6、可調 電源。
【具體實施方式】
[0018] 為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全 面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0019] 需要特別說明的是，當某一元件被描述為"固定于、固接于、連接于或連通于"另一 元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連 接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。
[0020] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明 的保護范圍。
[0021] 如圖1所示，一種基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光發生器和光定向耦 合結構；平行光發生器位于光定向耦合結構的上方；光定向耦合結構從上至下依次設置有 含雙狹縫的金屬薄膜1、上層二氧化硅層2、石墨烯層3、下層二氧化硅層4和背柵極5。金 屬薄膜1和上層二氧化硅層2的厚度只需幾十納米，它們與石墨烯層3共同構成一電磁波 導；金屬薄膜1可以為銀薄膜或金屬薄膜。下層二氧化硅層4和背柵極5的厚度分別為幾 十納米和幾百納米。石墨烯層與背柵極之間設置有可調電源6,可調電源6調節電壓可改 變石墨烯層3內載流子濃度，進而調控它的費米能級。上述結構可通過如下過程制備：將一 剝離的石墨烯轉移至附有背柵極的二氧化硅介質上，然后在石墨烯上依次沉積二氧化硅和 銀，最后利用電子束刻蝕技術在銀膜上刻蝕倆狹縫。為便于說明本結構的功能，下面結合具 體實施例進一步說明本發明的優選實施方式。
[0022] 實施例1 : 如圖2所示，一束波長為30轉_:的平行光以入射角為45°斜入射銀薄膜上的雙狹縫，入 射光為TM模式電磁波(磁場分量垂直于入射面)。對于此入射波，銀可視為理想導體（即電 導率為無窮大)。銀狹縫寬度（w)與厚度（tA)分別為40和50 nm (在其他實施例中，銀狹 縫的厚度可以是30-100nm之間的任意厚度)，狹縫之間的間距（d，縫中心間距)為10. 7 。上層二氧化娃層2和下層二氧化娃介質層4的厚度（tsl和1^2)分別為40和80 nm (在 其他實施例中，上層二氧化硅層2可以是30-100nm之間的任意厚度，，下層二氧化硅層4 的厚度可以是50-100nm之間的任意厚度。），介電常數為3. 9。p型摻雜的娃介質襯底厚度 (tsi)為500 nm (在其他實施例中，p型摻雜娃介質層的厚度可以為200-1000nm之間的任 意厚度。）作為背柵極5,介電常數為11. 9。石墨烯的載流子迀移率和費米速度取值分別為 10000 cm2/Vs和IO6 m/s。可調電源6電壓即背柵電壓（Vbm)為28. 5 V，此時石墨烯對應的 費米能級為0.87 eV。根據電磁波導理論知識，在上述參數情形下，上層二氧化硅介質層內 的電磁模的有效折射率為31. 26。左右狹縫在上層二氧化硅層內產生的電磁模的位相值不 同，右狹縫的右側區域的倆電磁模位相差為，的偶數倍M 一_備戶譯其)，而在左狹 縫的左側區域，倆電磁模之間的位相差為f的奇數倍嚴儀@盧_3齊)。由電磁波 干涉理論可知，在右狹縫的右側區域電磁模出現干涉相長現象，而在左狹縫的左側區域電 磁模出現干涉相消現象。也就是說電磁模在上層二氧化硅層2內不會朝左傳播，只能朝右 定向傳輸。電磁能流方向朝右（圖2中箭頭方向)，電磁定向親合的功能得以體現。
[0023] 實施例2 : 如圖3所示，可調電源6電壓即背柵壓（VB(；2)為10.3 V，石墨烯的費米能級為0.81 eV， 其余參數均與實例1相同。此時，上層二氧化硅層2內的電磁模的有效折射率為32. 65,左 右狹縫產生的倆電磁模在右狹縫的右側區域的位相差為靈:的奇數倍 )，而在左狹縫的左側區域的位相差7的偶數倍__:=::__-在這種情形下， 電磁模朝左傳輸（圖3中箭頭方向）。
[0024] 除了實例1 (2)中的背柵壓值和入射角，還有許多電壓值和入射角可以使電磁模 向右(左）定向耦合，只要滿足右(左）狹縫的右(左）側區域干涉相長的相位條件以及左(右） 狹縫的左(右)側區域干涉相消的相位條件。背柵壓值既可決定在上層二氧化硅層2內電磁 模的傳播方向，還可以通過調節電磁干涉方式控制電磁模的信號強度，這種主動控制與切 換功能是傳統光耦合器件所不具備的。
【主權項】
1. 一種基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：包括平行光發生器和光定向耦合 結構；所述平行光發生器位于光定向耦合結構的上方；所述光定向耦合結構從上至下依次 包括含雙狹縫的金屬薄膜、上層二氧化硅層、石墨烯層、下層二氧化硅和背柵極；所述石墨 烯層和背柵極之間設置有可調電源；所述平行光發生器產生一束TM模式電磁波斜射在雙 狹縫金屬薄膜上，在狹縫出口表面形成耦合電磁模，該耦合電磁模在金屬薄膜與石墨烯之 間的上層二氧化硅介質層中傳輸。2. 根據權利要求1所述的基于石墨稀的光定向親合器件，其特征在于：所述金屬薄膜 的材料為銀或者金。3. 根據權利要求2所述的基于石墨稀的光定向親合器件，其特征在于：所述金屬薄膜 和上層二氧化娃的厚度均在30-100nm之間。4. 根據權利要求3所述的基于石墨稀的光定向親合器件，其特征在于：所述金屬薄膜 的厚度為50nm，所述上層二氧化娃的厚度為40nm。5. 根據權利要求1-4任一項所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述 背柵極為P型摻雜硅介質層，所述P型摻雜硅介質層附著在下層二氧化硅介質層的下面。6. 根據權利要求5所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述下層二氧 化娃的厚度在50-100nm之間，所述p型摻雜娃介質層的厚度在200-1000nm之間。7. 根據權利要求6所述的基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：所述下層二氧 化娃的厚度為80nm ;所述p型摻雜娃介質層的厚度為500nm。
【專利摘要】一種基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光發生器和光定向耦合結構；平行光發生器位于光定向耦合結構的上方；光定向耦合結構從上至下依次包括含雙狹縫的金屬薄膜、上層二氧化硅層、石墨烯層、下層二氧化硅和背柵極；石墨烯層和背柵極之間設置有可調電源；平行光發生器產生一束TM模式電磁波斜射在雙狹縫金屬薄膜上，在狹縫出口表面形成耦合電磁模，該耦合電磁模在金屬薄膜與石墨烯之間的上層二氧化硅介質層中傳輸。本發明通過柵極電壓調節石墨烯的費米能級來調控光信號的耦合方向，實現了對光信號的主動控制，而且所需的功耗較小，響應速度快，具有很寬的工作頻帶。
【IPC分類】G02B6/26, G02B1/00
【公開號】CN105116496
【申請號】CN201510640010
【發明人】賀夢冬, 彭宇翔, 王凱軍, 王磊
【申請人】中南林業科技大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年10月8日