一种基于石墨烯的光定向耦合器件制造技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电
，尤其涉及一种基于石墨稀的光定向親合器件。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提出的技术方案为：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親合电磁模， 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。 本专利技术中，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， 从而减少本专利技术基于石墨烯的光定向耦合器件的能耗。 本专利技术中，所述金属薄膜和上层二氧化娃的厚度均在30-100nm之间。 本专利技术中，所述金属薄膜的厚度为50nm，所述上层二氧化娃的厚度为40nm。 本专利技术中，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 氧化娃介质层的下面。 本专利技术中，所述下层二氧化娃的厚度在50--100nm之间，所述P型掺杂娃介质层的 厚度在200-1000nm之间。 本专利技术中，所述下层二氧化娃的厚度为80nm ;所述p型掺杂娃介质层的厚度为 500nm〇 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。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（1)本专利技术基于目前极为成熟的微纳刻蚀 加工技术以及多层膜技术，制作过程不繁杂，操作简单。与传统的光定向耦合器件相比，石 墨烯的引入大大缩小了耦合器件的尺寸。（2)本专利技术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。（3)本专利技术提出控制光耦合方向的结构及其原理，为今后研发具有 开关、调制等多功能维纳光源奠定基础。【附图说明】 图1为本专利技术基于石墨烯的光定向耦合器件的结构示意图。 图2为实施例1的结构示意图。 图3为实施例2的结构示意图。 图例说明 1、金属薄膜；2、上层二氧化娃层；3、石墨稀层；4、下层二氧化娃层；5、背栅极；6、可调 电源。【具体实施方式】 为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术作更全 面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。 需要特别说明的是，当某一元件被描述为"固定于、固接于、连接于或连通于"另一 元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连 接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义 相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术 的保护范围。 如图1所示，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设置有 含双狭缝的金属薄膜1、上层二氧化硅层2、石墨烯层3、下层二氧化硅层4和背栅极5。金 属薄膜1和上层二氧化硅层2的厚度只需几十纳米，它们与石墨烯层3共同构成一电磁波 导；金属薄膜1可以为银薄膜或金属薄膜。下层二氧化硅层4和背栅极5的厚度分别为几 十纳米和几百纳米。石墨烯层与背栅极之间设置有可调电源6,可调电源6调节电压可改 变石墨烯层3内载流子浓度，进而调控它的费米能级。上述结构可通过如下过程制备：将一 剥离的石墨烯转移至附有背栅极的二氧化硅介质上，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。为便于说明本结构的功能，下面结合具 体实施例进一步说明本专利技术的优选实施方式。 实施例1 : 如图2所示，一束波长为30轉_:的平行光以入射角为45°斜入射银薄膜上的双狭缝，入 射光为TM模式电磁波(磁场分量垂直于入射面)。对于此入射波，银可视为理想导体（即电 导率为无穷大)。银狭缝宽度（w)与厚度（tA)分别为40和50 nm (在其他实施例中，银狭 缝的厚度可以是30-100nm之间的任意厚度)，狭缝之间的间距（d，缝中心间距)为10. 7 。上层二氧化娃层2和下层二氧化娃介质层4的厚度（tsl和1^2)分别为40和80 nm (在 其他实施例中，上层二氧化硅层2可以是30-100nm之间的任意厚度，，下层二氧化硅层4 的厚度可以是50-100nm之间的任意厚度。），介电常数为3. 9。p型掺杂的娃介质衬底厚度 (tsi)为500 nm (在其他实施例中，p型掺杂娃介质层的厚度可以为200-1000nm之间的任 意厚度。）作为背栅极5,介电常数为11. 9。石墨烯的载流子迀移率和费米速度取值分别为 10000 cm2/Vs和IO6 m/s。可调电源6电压即背栅电压（Vbm)为28. 5 V，此时石墨烯对应的 费米能级为0.87 eV。根据电磁波导理论知识，在上述参数情形下，上层二氧化硅介质层内 的电磁模的有效折射率为31. 26。左右狭缝在上层二氧化硅层内产生的电磁模的位相值不 同，右狭缝的右侧区域的俩电磁模位相差为，的偶数倍M 一_备戶譯其)，而在左狭 缝的左侧区域，俩电磁模之间的位相差为f的奇数倍严儀@卢_3齐)。由电磁波 干涉理论可知，在右狭缝的右侧区域电磁模出现干涉相长现象，而在左狭缝的左侧区域电 磁模出现干涉相消现象。也就是说电磁模在上层二氧化硅层2内不会朝左传播，只能朝右 定向传输。电磁能流方向朝右（图2中箭头方向)，电磁定向親合的功能得以体现。 实施例2 : 如图3所示，可调电源6电压即背栅压（VB(；2)为10.3 V，石墨烯的费米能级为0.81 eV， 其余参数均与实例1相同。此时，上层二氧化硅层2内的电磁模的有效折射率为32. 6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的光定向耦合器件，其特征在于：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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺梦冬，彭宇翔，王凯军，王磊，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43