基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明為一種微納光學器件，具體涉及一種基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀。
【背景技術】
[0002]表面等離子體波導器件具有許多優點，例如結構簡單緊湊、尺寸小、不受衍射極限的限制、為電子回路與光子器件的兼容提供了可能等，在諸多領域，尤其光集成、光計算和光信息處理等領域，有廣泛的應用前景。
[0003]在THz波段和紅外波段，光子可以很容易的耦合進石墨烯，產生表面等離子體波，可以通過調制電壓和摻雜等方式來進行調制，其能耗也非常的低，并且能夠在不同的調制下分別支持TM模式和TE模式，這使得石墨烯成為表面等離子體波導材料的熱門選擇。石墨烯表面波導已經廣泛應用在光子超材料，激光，生物傳感和變換光學等領域。
[0004]表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀作為一種重要的可集成光子器件，有效的解決了傳統M-Z干涉儀受到衍射極限的限制而導致體積龐大、難以集成等缺點。表面等離子體是一種由外部電磁場與金屬表面自由電子形成的相干共振，入射光能量主要束縛在金屬表面并向前傳播，它能夠有效克服衍射極限，為微納光子器件的研制提供了新的途徑，但是傳統的利用金屬作為表面等離子體波導材料制作而成的馬赫曾德爾干涉儀，一方面其能耗比較大，另一方面由于金屬介電常數不可調，當其結構固定之后，難以實現對馬赫曾德爾干涉儀的主動調節。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀，主要提供了一種通過改變馬赫曾德爾干涉儀上臂石墨烯的外加電壓來控制表面等離子體波在其上傳播時的有效折射率，從而改變光程差來實現馬赫曾德爾干涉儀主動可調的方法。
[0006]本發明的技術方案如下:該基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀包括環境介質(二氧化硅)，石墨烯輸入波導，石墨烯輸出波導，第一環形諧振腔，第二環形諧振腔，干涉儀上臂，干涉儀下臂，其特征在于:石墨烯波導及諧振腔固定于方形環境介質(二氧化硅)中，干涉儀上臂內有長為200nm的電壓可調區域，干涉儀上臂與干涉儀下臂長度一致，第一環形諧振腔和第二環形諧振腔完全一樣，干涉儀兩臂、輸入波導和輸出波導均與兩環形諧振腔之間留有一定間隙，環形諧振腔為環形納米諧振腔，所用石墨烯皆為單層。
[0007]使用時，石墨烯輸入波導、石墨烯輸出波導、干涉儀上臂和干涉儀下臂外加電壓設置為0.4eV，第一環形諧振腔和第二環形諧振腔外加電壓設置為0.5eV，可在諧振腔中實現共振的光信號通過耦合硅波導或錐形光纖引入到石墨烯輸入波導中，在石墨烯輸入波導上以表面等離子體波的形式傳播，通過第一環形諧振腔耦合進干涉儀上臂和干涉儀下臂，石墨烯波導的有效折射率隨外加電壓的改變而改變，通過調節干涉儀上臂電壓可調區域的外加電壓在0.lev到0.5eV之間改變，進而改變光信號在其上傳播時的光程，干涉儀上臂和干涉儀下臂的兩束光程不同的光信號通過第二環形諧振腔耦合進入石墨烯輸出波導，當干涉儀上臂和干涉儀下臂的兩束光信號的光程差為η的偶數倍時，兩信號在石墨烯輸出波導干涉加強，得到強信號，當干涉儀上臂和干涉儀下臂的兩束光信號的光程差為η的奇數倍時，兩信號在石墨烯輸出波導干涉減弱，得到弱信號。
[0008]本發明的有益效果如下:表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀由單層石墨烯和二氧化硅組成，該結構具有極強的光束縛效應，能突破衍射極限的限制，在納米尺度對光進行傳輸。該馬赫曾德爾干涉儀集成在一塊幾微米的二氧化硅上，結構簡單、體積小，并能和電子器件和傳統光子器件進行有效匹配連接，通過改變干涉儀上臂電壓可調區域的外加電壓實現對輸出光信號強弱的主動調節，本發明應用于紅外波段，在光通訊、光集成、光信息處理等方面有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的結構側視圖；
[0010]圖2為石墨烯有效折射率實部隨石墨烯電壓可調區域外加電壓關系圖；
[0011]圖3為馬赫曾德爾干涉儀上下兩臂相位差以及馬赫曾德爾干涉儀透射率與電壓可調區域外加電壓關系圖；
[0012]圖4為馬赫曾德爾干涉儀中光信號的電磁場分布圖；
[0013]圖中:1_石墨烯輸入波導；2_環境介質(二氧化硅)；3_第一環形諧振腔；4-干涉儀上臂；5_電壓可調區域；6_第二環形諧振腔；7_石墨烯輸出波導；8_干涉儀下臂。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖詳細闡述本發明的實施方式:
[0015]如圖1所示，本發明基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀主要由環境介質(二氧化硅)，石墨烯輸入波導，石墨烯輸出波導，第一環形諧振腔，第二環形諧振腔，干涉儀上臂，干涉儀下臂幾部分構成。其特征在于:石墨烯波導及諧振腔固定于方形環境介質(二氧化硅)中，干涉儀上臂內有長為200nm的電壓可調區域，干涉儀上臂與干涉儀下臂長度一致，第一環形諧振腔和第二環形諧振腔完全一樣，干涉儀兩臂、輸入波導和輸出波導均與兩環形諧振腔之間留有一定間隙，環形諧振腔為環形納米諧振腔，所用石墨烯皆為單層。
[0016]使用時，石墨烯輸入波導1、石墨烯輸出波導7、干涉儀上臂4和干涉儀下臂8外加電壓設置為0.4eV，第一環形諧振腔3和第二環形諧振腔6外加電壓設置為0.5eV，可在諧振腔中實現共振的光信號通過耦合硅波導或錐形光纖引入到石墨烯輸入波導1中，在石墨烯輸入波導1上以表面等離子體波的形式傳播，通過第一環形諧振腔3耦合進干涉儀上臂4和干涉儀下臂8，石墨烯波導的有效折射率隨外加電壓的改變而改變(詳見圖2)，進而可以通過調節干涉儀上臂4電壓可調區域5的外加電壓來改變光信號在其上傳播時的光程，干涉儀上臂4和干涉儀下臂8的兩束光程不同的光信號通過第二環形諧振腔6耦合進入石墨烯輸出波導7，當干涉儀上臂4和干涉儀下臂8的兩束光信號的光程差為31的偶數倍時，兩信號在石墨烯輸出波導7干涉加強，得到強信號，當干涉儀上臂4和干涉儀下臂8的兩束光信號的光程差為η的奇數倍時，兩信號在石墨烯輸出波導7干涉減弱，得到弱信號，圖3繪制了電壓可調區域的電壓在0.leV?0.5eV之間變化時，相應的干涉儀上下兩臂的光信號相位差(虛線)以及光信號的透過率(實線)。圖4(幻為電壓可調區域5電壓為0.4^時，馬赫曾德爾干涉儀中光信號的電磁場分布圖，圖4(b)為電壓可調區域5電壓為0.278eV時，馬赫曾德爾干涉儀中光信號的電磁場分布圖，與前述透射結果完全吻合。
【主權項】
1.一種基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀包括環境介質(二氧化硅)，石墨烯輸入波導，石墨烯輸出波導，第一環形諧振腔，第二環形諧振腔，干涉儀上臂，干涉儀下臂，其特征在于:石墨烯波導及諧振腔固定于方形環境介質(二氧化硅)中，干涉儀上臂內有長為200nm的電壓可調區域，干涉儀上臂與干涉儀下臂長度一致，第一環形諧振腔和第二環形諧振腔完全一樣，干涉儀兩臂、輸入波導和輸出波導均與兩環形諧振腔之間留有一定間隙。2.根據權利要求1所述的基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀，其特征在于:環形諧振腔為環形納米諧振腔。3.根據權利要求2所述的基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀，其特征在于:所述石墨烯皆為單層。
【專利摘要】本發明提供一種基于單層石墨烯片和環形諧振腔的表面等離子體馬赫曾德爾干涉儀，包括環境介質(二氧化硅)，石墨烯輸入波導，石墨烯輸出波導，第一環形諧振腔，第二環形諧振腔，干涉儀上臂，干涉儀下臂，其特征在于：石墨烯波導及諧振腔固定于方形環境介質(二氧化硅)中，干涉儀上臂內有長為200nm的電壓可調區域。使用時，光信號通過耦合硅波導或錐形光纖引入到石墨烯輸入波導中，通過第一環形諧振腔耦合進干涉儀上臂和干涉儀下臂，調節干涉儀上臂電壓可調區域的外加電壓在0.1eV到0.5eV之間改變，進而改變光信號在其上傳播時的光程，最終實現光信號在石墨烯輸出波導的干涉加強或減弱。本發明結構簡單、體積小，主動可調，可應用于紅外波段，在光通訊、光集成、光信息處理等方面有廣泛的應用前景。
【IPC分類】G02B6/122
【公開號】CN105388563
【申請號】CN201510918073
【發明人】梁修業, 王繼成, 夏秀山, 唐寶杰
【申請人】江南大學
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年12月11日