[实用新型]一种基于半导体增益和石墨烯的SPP装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及光通信技术领域，具体一种基于半导体增益和石墨烯的SPP装置。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,简称SPP)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPP这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用。石墨烯能够传播spp特性已经被一个无限长的由量子点包裹的石墨烯纳米带理论证明。《Optics Express》在2011年19卷第14期12925–12936页上长篇刊载了浙江大学和美国帕卡德休利特实验室Wosinski合作团队研制的增益介质的金属碟型的半导体脊波导结构，结构同时具有低损耗和纳米级光场限制能力，并通过引入适当的介质增益来补偿损耗实现了净增益，设计的波导制造方法简单，能与标准的CMOS微电子技术兼容。上述研究成果展现了半导体SPP波导的独特光电属性以及与现有集成电路制造技术的兼容特点，使得半导体材料的SPP器件有着更广阔的应用前景。

《Optical and Quantum Electronics》在2015年47卷第7期1791-1800页上刊登的Olyaeefar课题组报道的混合SPP石墨烯波导结构，采用的是InGaAsP增益介质实现对损耗的补偿，结构制作可行性非常强。然而其肋型石墨烯结构对于大规模生产存在一定的困难。目前有关石墨烯和半导体增益的器件还处于研发阶段，各国对于这个新兴材料和相应器件还处于一个专利布局期。

目前对于基于半导体增益和石墨烯的SPP波导大都集中在其中一种材料的应用器件特性分析，对于他们之间的共同作用报道较少。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于半导体增益和石墨烯的SPP器件装置。这种装置能够提供更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供光源，且能够与多种纳米光子、电子器件兼容，能为低阈值纳米激光器等高密度光子集成器件的发展提供一个新的原型器件、能为表面等离子领域提供高性能的微腔和可集成的器件。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于半导体增益和石墨烯的SPP器件装置，包括顺序叠接的底层石墨烯层、半导体增益层、缓冲层和顶层石墨烯层，所述的半导体增益层为T型波导结构，T型波导结构的两侧为对称的、结构和大小相同的第一长方体和第二长方体。

所述半导体增益层为高折射率的铟砷化镓层。

所述的第一长方体和第二长方体为介电常数小、电子有效质量小、可作外延片的砷化镓。

所述缓冲层为低折射率硫化镉缓冲层。

通过调节石墨烯厚度能够控制2个不同层的结合界面产生的SPP频率。

所述半导体增益和石墨烯在SPP波导中的应用。

所诉基于半导体增益和石墨烯的SPP器件装置的制作过程如下：首先是石墨烯层沉积矩形体的铟砷化镓层，然后在铟砷化镓层上做一个对称大小的掩膜，经过干法刻蚀过程形成一个T形铟砷化镓层，再用湿法刻蚀技术移除掩膜层，接着沉积对称砷化镓的长方体，最后分别沉积硫化镉缓冲层和覆盖顶层石墨烯层6。

电子在铟砷化镓中的传输速度是硅的数倍，铟砷化镓材料增益的优点是能够减少芯片尺寸，提高信息处理的速度。

所述的硫化镉缓冲层，采用室温固相反应法制备。

所述的石墨烯层通过等离子体刻蚀工艺制作，可以通过改变石墨烯的厚度调节SPP的共振频率。

入射光从铟砷化镓层侧面以大于石墨烯与铟砷化镓全反射角的角度衍射到底层石墨烯与铟砷化镓层界面产生SPP倐逝波，由于光的穿透作用会在顶层石墨烯层与硫化镉缓冲层界面也产生SPP倐逝波，因为半导体材料的折射率差、半导体材料的增益补偿作用以及石墨烯独特的光电属性，会使得的上下2层界面的SPP共同作用，发生显著增强光子局域化现象。

这种装置采用光激发SPP，通过2层界面的共同作用、半导体增益增强SPP传播与局域，采用的半导体材料的波导结构能够与多种纳米光子、电子器件兼容。

这种装置能够提供更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供光源，且能够与多种纳米光子、电子器件兼容，能为低阈值纳米激光器等高密度光子集成器件的发展提供一个新的原型器件、能为表面等离子领域提供高性能的微腔和可集成的器件。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；