[发明专利]一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，包括基底，连接在基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导，耦合波导部由条形波导A、等离子波导、条形波导B平行且间隔一定的距离排列构成，条形波导A与输入条形波导和输出S波导衔接，条形波导B与输出条形波导衔接，等离子波导自下而上依次由底层条形波导，下层石墨烯，介质，上层石墨烯，金属覆盖层构成，下层石墨烯和金属覆盖层与外部电极相连。该耦合器体积小结构简单且工作效果稳定，通过对加载于石墨烯上的外部电压的调控可以调节两输出端口所输出信号的强度，适用于各种基于硅波导的光通信系统。

技术领域

本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器。

背景技术

2um红外光指的是波长在1700nm至2100nm这一范围内的红外光，这一波段的红外光在近几年受到了关注，在遥感探测、激光雷达、医疗、光通信等领域2um红外光都具有很大的前景，例如2018年NTT先进集成设备研究所公开的基于高速宽带2um激光的引擎内CO2状况实时监控，除上述运用外2um红外光还可以作为中红外波段激光的泵浦源。

在光通信领域上，2um波段覆盖范围广，可实现更大的传输带宽，同时2um红外光受大气扰动、热辐射和太阳光的影响小，在大气中传播时表现出的透过率最高，是构建户外空间通信系统的理想载波。

石墨烯是由碳原子在平面内以蜂巢结构排列构成的零带隙二维材料，其表面电导率可通过加载外部电场改变载流子密度的手段进行调控，这一性质被广泛运用于构建可调谐的光电器件，包括光调制器件，滤波器件及偏振控制器件等，特别的，石墨烯表面等离子激元比较金属-介质界面的表面等离子激元，在光场束缚能力，损耗水平，传播距离等方面都有更好的表现，基于石墨烯表面等离子激元的器件具有很高的研究价值。

耦合器是一种现代光通信系统中常用的器件，通过临近波导间的能量交换，将波导中的光信号部分或完全的转移到另一波导上，是光通信系统中不可少的组成部分，不仅运用于波导间耦合，在滤波器，偏振选择器件，调制器件，光开关及激光器的构建上都发挥着重要的作用。

目前针对2um波段，同时具有高集成性的可调器件的相关研究较少，同时对面向2um波段的新型光纤和光通信器件及2um光的调制解调和波分复用是对2um波段研究的焦点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，该耦合器体积小结构简单且工作效果稳定，通过对加载于石墨烯上的外部电压的调控可以调节两输出端口所输出信号的强度，适用于各种基于硅波导的光通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于石墨烯表面等离子激元的面向2um波段的可调谐功率耦合器，包括基底，连接在所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导，所述耦合波导部由条形波导A、等离子波导、条形波导B平行且间隔一定的距离排列构成，所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导衔接，所述条形波导B与输出条形波导衔接，所述等离子波导自下而上依次由底层条形波导，下层石墨烯，介质，上层石墨烯，金属覆盖层构成，所述下层石墨烯和金属覆盖层与外部电极相连。

进一步的，所述条形波导A与输入条形波导和输出S波导宽度、高度均一致；所述条形波导B与输出条形波导宽度、高度均一致。

进一步的，所述等离子波导中的石墨烯-介质-石墨烯的多层结构通过电极加载电压控制石墨烯的表面电导率来控制多层结构的有效折射率，根据需要对两端口输出作调整。

进一步的，所述基底上的输入条形波导、耦合波导部、输出S波导和输出条形波导表面均采用二氧化硅或硫系玻璃进行封装，比如硫化亚砷，又或其他常用封装材料进行封装。

进一步的，所述上层石墨烯和下层石墨烯均包括单层石墨烯结构或多层石墨烯重叠结构，可以根据实际需要进行适当的掺杂。