[发明专利]一种基于石墨烯的光定向耦合器件

说明书

一种基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光发生器和光定向耦合结构；平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；光定向耦合结构从上至下依次包括含双狭缝的金属薄膜、上层二氧化硅层、石墨烯层、下层二氧化硅和背栅极；石墨烯层和背栅极之间设置有可调电源；平行光发生器产生一束TM模式电磁波斜射在双狭缝金属薄膜上，在狭缝出口表面形成耦合电磁模，该耦合电磁模在金属薄膜与石墨烯之间的上层二氧化硅介质层中传输。本发明通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光信号的耦合方向，实现了对光信号的主动控制，而且所需的功耗较小，响应速度快，具有很宽的工作频带。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的光定向耦合器件。

背景技术

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层蜂窝状晶格结构的碳质材料，它有着超宽带的光学响应谱、极强的非线性光学特性以及与硅基半导体工艺的兼容性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。在一定条件下，石墨烯表面传导电子与光子相互作用形成耦合电磁模（即，表面等离激元）。该耦合电磁模最大的优点在于其能够突破衍射极限，可作光耦合器件中的信息载体。

传统的光定向耦合器件存在不能主动控制、切换光信号，损耗高、局域程度低、尺寸较大、激发波段窄、不可调谐等不足之处。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能主动控制、切换光信号的石墨烯光定向耦合结构。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于石墨烯的光定向耦合器件，包括平行光发生器和光定向耦合结构；所述平行光发生器位于光定向耦合结构的上方；所述光定向耦合结构从上至下依次包括含双狭缝的金属薄膜、上层二氧化硅层、石墨烯层、下层二氧化硅和背栅极；所述石墨烯层和背栅极之间设置有可调电源；所述平行光发生器产生一束TM模式电磁波斜射在双狭缝金属薄膜上，在狭缝出口表面形成耦合电磁模，该耦合电磁模在金属薄膜与石墨烯之间的上层二氧化硅介质层中传输。利用两狭缝产生的电磁模之间的位相差，可在不同方向实现不同的干涉现象（例如，干涉相长和干涉相消），从而达到光信号定向耦合的目的。石墨烯放置在附有p型掺杂硅介质衬底的下层二氧化硅介质上面，将p型掺杂硅介质层作为背栅极，在石墨烯与背栅极之间外加电压。改变背栅电压可调节石墨烯费米能级，石墨烯费米能级的变化影响着耦合电磁模的有效折射率，进而调控耦合电磁模之间的位相差，可在一个方向上实现由干涉相长到干涉相消之间的转换，耦合电磁模的传输方向得以主动操控。

本发明中，所述金属薄膜为银薄膜。对于入射的电磁波，银或金可视为理想导体，从而减少本发明基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。

本发明中，所述金属薄膜和上层二氧化硅的厚度均在30-100nm之间。

本发明中，所述金属薄膜的厚度为50nm，所述上层二氧化硅的厚度为40nm。

本发明中，所述背栅极为p型掺杂硅介质层，所述p型掺杂硅介质层附着在下层二氧化硅介质层的下面。

本发明中，所述下层二氧化硅的厚度在50--100nm之间，所述p型掺杂硅介质层的厚度在200-1000nm之间。

本发明中，所述下层二氧化硅的厚度为80nm；所述p型掺杂硅介质层的厚度为500nm。

上述的光定向耦合结构可通过如下过程制备：将一剥离的石墨烯转移至附有p型掺杂硅介质衬底的二氧化硅介质上，然后在石墨烯上依次沉积二氧化硅和银，最后利用电子束刻蚀技术在银膜上刻蚀俩狭缝。