[发明专利]一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构及制备方法

说明书

一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，涉及光子集成器件领域，包括：互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，第三层超表面位于最下方；绝缘体结构层；分别设置在绝缘体结构层上、下表面的石墨烯结构层和衬底；第一、二层超表面的折射率大于第一绝缘层，第三层超表面的折射率大于第一子结构的折射率。本发明设计了三层超表面层和石墨烯结构层，通过三层超表面层调整光束传播路径和各层有效折射率，第一子结构与第三层超表面的折射率对比度减小，有效增大耦合器的工作带宽；石墨烯结构层能够进一步增大耦合器的工作带宽，三层超表面矩阵单元阵列排列结构能有效增大耦合器的耦合效率。

技术领域

本发明涉及光子集成器件领域，具体来讲，涉及一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构及制备方法。

背景技术

光子集成器件领域中，耦合器作为器件之间以及器件与外界之间传递光路信息的窗口，是重要的光子集成无源器件。耦合器优劣的最重要的参考性能指标有三个：耦合效率、带宽和偏振相关性。如何提高耦合效率、增大耦合带宽、降低偏振相关性是设计研究性能优良的耦合器件的关键。

现有耦合器中存在多种缺陷，例如耦合效率不够高、带宽不够大和偏振敏感。

发明内容

针对现有耦合器中存在的缺陷，即耦合效率不够高、带宽不够大和偏振敏感的问题，本发明的目的在于提供一种高性能多功能的基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，能够有效增大耦合器的工作带宽，同时提高耦合器耦合效率、减小偏振敏感。

为达到以上目的，本发明提供一种基于石墨烯和三层超表面的耦合器结构，包括：

互不接触的至少一个第一层超表面、至少一个第二层超表面以及一第三层超表面，所述第三层超表面位于所述第一层超表面和所述第二层超表面的下方，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第三层超表面均采用由多个基本单元构成的矩形阵列结构；

绝缘体结构层，由包裹所述第一层超表面和所述第二层超表面的第一绝缘层和包裹所述第三层超表面的第二绝缘层构成，所述第一层超表面、所述第二层超表面以及所述第一绝缘层构成第一子结构，所述第三层超表面和所述第二绝缘层构成第二子结构；

分别设置在所述绝缘体结构层上表面和下表面的石墨烯结构层和衬底；

所述第一、二层超表面的折射率大于所述第一绝缘层，所述第三层超表面的折射率大于所述第一子结构的折射率。

在上述技术方案的基础上，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的折射率相同。

在上述技术方案的基础上，所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第一层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值；

所述第三层超表面与所述第二绝缘层的折射率的差值大于所述第二层超表面与所述第一绝缘层的折射率的差值。

在上述技术方案的基础上，所述石墨烯结构层由至少一个石墨烯层堆叠设置构成。

在上述技术方案的基础上，所述绝缘体结构层的折射率低于所述石墨烯结构层。

在上述技术方案的基础上，所述第一层超表面包含多个第一矩形基本单元，多个所述第一矩形基本单元组成矩形阵列，所述矩形阵列中，

每行的所述第一矩形基本单元的横向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的横向间隔保持不变或至少部分递增；

每列的所述第一矩形基本单元的纵向长度保持不变或至少部分递减，相邻所述第一矩形基本单元的纵向间隔保持不变或至少部分递增。