一種基于石墨烯的光定向耦合器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于石墨稀的光定向親合器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨烯是碳原子緊密堆積成單層蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料，它有著超寬帶的光 學響應(yīng)譜、極強的非線性光學特性以及與硅基半導(dǎo)體工藝的兼容性，使其在新型光學和光 電器件領(lǐng)域具有得天獨厚的優(yōu)勢。在一定條件下，石墨烯表面?zhèn)鲗?dǎo)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(yōu)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(tǒng)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(fā)波段窄、不可調(diào)諧等不足之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：一種基于石墨烯的光定向耦合 器件，包括平行光發(fā)生器和光定向耦合結(jié)構(gòu)；所述平行光發(fā)生器位于光定向耦合結(jié)構(gòu)的上 方；所述光定向耦合結(jié)構(gòu)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(shè)置有可調(diào)電源；所述平行光發(fā) 生器產(chǎn)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(zhì)層中傳輸。利用兩狹縫產(chǎn)生的 電磁模之間的位相差，可在不同方向?qū)崿F(xiàn)不同的干涉現(xiàn)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(zhì)襯底的下層二氧化硅介 質(zhì)上面，將P型摻雜硅介質(zhì)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(diào)節(jié)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(diào) 控耦合電磁模之間的位相差，可在一個方向上實現(xiàn)由干涉相長到干涉相消之間的轉(zhuǎn)換，耦 合電磁模的傳輸方向得以主動操控。
[0006] 本發(fā)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(dǎo)體， 從而減少本發(fā)明基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。
[0007] 本發(fā)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(fā)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(fā)明中，所述背柵極為p型摻雜硅介質(zhì)層，所述p型摻雜硅介質(zhì)層附著在下層二 氧化娃介質(zhì)層的下面。
[0010] 本發(fā)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(zhì)層的 厚度在200-1000nm之間。
[0011] 本發(fā)明中，所述下層二氧化娃的厚度為80nm ;所述p型摻雜娃介質(zhì)層的厚度為 500nm〇
[0012] 上述的光定向耦合結(jié)構(gòu)可通過如下過程制備：將一剝離的石墨烯轉(zhuǎn)移至附有P型 摻雜硅介質(zhì)襯底的二氧化硅介質(zhì)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(shù)在銀膜上刻蝕倆狹縫。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：（1)本發(fā)明基于目前極為成熟的微納刻蝕 加工技術(shù)以及多層膜技術(shù)，制作過程不繁雜，操作簡單。與傳統(tǒng)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(fā)明通過柵極電壓調(diào)節(jié)石墨烯的費米能 級來調(diào)控光信號的耦合方向，實現(xiàn)了對光信號的主動控制，而且所需的功耗較小，響應(yīng)速度 快，具有很寬的工作頻。（3)本發(fā)明提出控制光耦合方向的結(jié)構(gòu)及其原理，為今后研發(fā)具有 開關(guān)、調(diào)制等多功能維納光源奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明基于石墨烯的光定向耦合器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2為實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖3為實施例2的結(jié)構(gòu)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(diào) 電源。
【具體實施方式】
[0018] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全 面、細致地描述，但本發(fā)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(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)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(fā)生器和光定向耦 合結(jié)構(gòu)；平行光發(fā)生器位于光定向耦合結(jié)構(gòu)的上方；光定向耦合結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)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(gòu)成一電磁波 導(dǎo)；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(shè)置有可調(diào)電源6,可調(diào)電源6調(diào)節(jié)電壓可改 變石墨烯層3內(nèi)載流子濃度，進而調(diào)控它的費米能級。上述結(jié)構(gòu)可通過如下過程制備：將一 剝離的石墨烯轉(zhuǎn)移至附有背柵極的二氧化硅介質(zhì)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(shù)在銀膜上刻蝕倆狹縫。為便于說明本結(jié)構(gòu)的功能，下面結(jié)合具 體實施例進一步說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
[0022] 實施例1 : 如圖2所示，一束波長為30轉(zhuǎn)_: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(dǎo)體（即電 導(dǎo)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(zhì)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(shù)為3. 9。p型摻雜的娃介質(zhì)襯底厚度 (tsi)為500 nm (在其他實施例中，p型摻雜娃介質(zhì)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(shù)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(diào)電源6電壓即背柵電壓（Vbm)為28. 5 V，此時石墨烯對應(yīng)的 費米能級為0.87 eV。根據(jù)電磁波導(dǎo)理論知識，在上述參數(shù)情形下，上層二氧化硅介質(zhì)層內(nèi) 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(nèi)產(chǎn)生的電磁模的位相值不 同，右狹縫的右側(cè)區(qū)域的倆電磁模位相差為，的偶數(shù)倍M 一_備戶譯其)，而在左狹 縫的左側(cè)區(qū)域，倆電磁模之間的位相差為f的奇數(shù)倍嚴儀@盧_3齊)。由電磁波 干涉理論可知，在右狹縫的右側(cè)區(qū)域電磁模出現(xiàn)干涉相長現(xiàn)象，而在左狹縫的左側(cè)區(qū)域電 磁模出現(xiàn)干涉相消現(xiàn)象。也就是說電磁模在上層二氧化硅層2內(nèi)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(xiàn)。
[0023] 實施例2 : 如圖3所示，可調(diào)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(shù)均與實例1相同。此時，上層二氧化硅層2內(nèi)的電磁模的有效折射率為32. 65,左 右狹縫產(chǎn)生的倆電磁模在右狹縫的右側(cè)區(qū)域的位相差為靈:的奇數(shù)倍 )，而在左狹縫的左側(cè)區(qū)域的位相差7的偶數(shù)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(cè)區(qū)域干涉相長的相位條件以及左(右） 狹縫的左(右)側(cè)區(qū)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(nèi)電磁 模的傳播方向，還可以通過調(diào)節(jié)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(tǒng)光耦合器件所不具備的。
【主權(quán)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(fā)生器和光定向耦合 結(jié)構(gòu)；所述平行光發(fā)生器位于光定向耦合結(jié)構(gòu)的上方；所述光定向耦合結(jié)構(gòu)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(shè)置有可調(diào)電源；所述平行光發(fā)生器產(chǎn)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(zhì)層中傳輸。2. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(zhì)層，所述P型摻雜硅介質(zhì)層附著在下層二氧化硅介質(zhì)層的下面。6. 根據(jù)權(quán)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(zhì)層的厚度在200-1000nm之間。7. 根據(jù)權(quán)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(zhì)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(fā)生器和光定向耦合結(jié)構(gòu)；平行光發(fā)生器位于光定向耦合結(jié)構(gòu)的上方；光定向耦合結(jié)構(gòu)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(shè)置有可調(diào)電源；平行光發(fā)生器產(chǎn)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(zhì)層中傳輸。本發(fā)明通過柵極電壓調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級來調(diào)控光信號的耦合方向，實現(xiàn)了對光信號的主動控制，而且所需的功耗較小，響應(yīng)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?zhí)枴緾N201510640010
【發(fā)明人】賀夢冬, 彭宇翔, 王凱軍, 王磊
【申請人】中南林業(yè)科技大學
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年10月8日