基于石墨烯/金属混合结构的光开关制造技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关，包括衬底反射层，所述衬底反射层用于反射入射光；介质层，所述介质层设在所述衬底反射层上；石墨烯层，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯层设在所述介质层上，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构；金属结构层，所述金属结构层设在所述石墨烯层上；金属电极，所述金属电极分别设于所述衬底反射层和所述石墨烯层；以及电压源，所述电压源分别与所述石墨烯层和所述金属结构层连接，通过所述电压源向所述石墨烯层施加电压以影响所述金属结构层的等离子共振效应。根据本发明专利技术实施例的光开关，在石墨烯层上制作金属结构层，给石墨烯施加电压改变石墨烯光学性质，影响金属结构层的等离子共振效应，从而实现光开关的功能。

Optical switch based on graphene / metal hybrid structure

An optical switch based on a graphene/metal hybrid structure is disclosed, including a substrate reflective layer for reflecting incident light; a dielectric layer for reflecting incident light; a dielectric layer for reflecting light on the substrate; and a graphene layer for including at least one layer of graphene; and a graphene layer for reflecting light on the substrate. The substrate reflector layer, the dielectric layer and the graphene layer constitute a capacitive structure; the metal structure layer, the metal structure layer, is located on the graphene layer; the metal electrode, the metal electrode, is located on the substrate reflector layer and the graphene layer respectively; and the voltage source, the voltage source and the graphene layer respectively. The graphene layer is connected with the metal structure layer, and voltage is applied to the graphene layer through the voltage source to influence the plasma resonance effect of the metal structure layer. According to the optical switch of the embodiment of the invention, a metal structure layer is made on the graphene layer, and a voltage is applied to the graphene to change the optical properties of the graphene, thereby affecting the plasma resonance effect of the metal structure layer, thereby realizing the function of the optical switch.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯/金属混合结构的光开关
本专利技术涉及光开关
，更具体地，涉及一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关。
技术介绍
随着科技进步和现代化的发展，光电元件对尺寸的要求越来越精密，纳米光子学为光器件的集成化提供了可能。纳米光子学以光学近场为信息载体，通过微纳米尺寸的光学元件与近场之间的电磁相互作用，来实现对光的相位，振幅和偏振、透过率等参量进行调控。目前，对纳米尺度的光学操控主要通过两种途径，一是基于光子晶体，通过对光子晶体内部结构的控制来调控光学传输路径，从而实现光信息的传递、调制和光互连，其中典型代表有纳米微腔，光波导以及分光器件。光子晶体的结构大部分都是三维的，这对于光子晶体的设计和制作都具有很大的挑战。另一种调控光的方法是控制表面等离子激元(SurfacePlasmonPolarizations,SPP)的传播，表面等离子体激元产生于金属和介质的表面，是光和金属表面的自由电子共振所引发的混合激发态，也是一种电磁波。通过在介质上设计不同的金属结构，能够有效的激发表面等离子体波，实现等离子激元的共振效应，从而在二维平面上就能够实现对入射光的透过率、振幅、相位等参量的调控。由于设计金属和介质的结构能够实现入射光透过率的改变，我们可以设计结构来实现金属对入射光透过率的改变，当透过率分别为0和不为0时，结构对入射光能够形成光开关的作用。石墨烯，一种由碳原子以sp2杂化方式形成的六元环平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。石墨烯是一种新型纳米材料，由于它十分良好的强度，柔韧，导电，导热，光学性质，在物理学，材料学，电子信息，计算机，航空航天等领域都得到了长足的发展。在光学领域上，我们发现，石墨烯具有折射率可调的性质。具体来说，就是通过给石墨烯施加电压，来改变石墨烯的电导率，从而实现折射率的改变。石墨烯的电导率和石墨烯的费米能级相关，通过施加电压的方式(电掺杂)能够有效的改变石墨烯的费米能级。因此，石墨烯是一个优良的电压可调控的材料。在本专利技术之前，中国专利技术专利(CN107121793A)一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。通过在介质基底上设计金属纳米孔阵列，实现等离子激元共振。通过设计固定的孔阵列的参数，实现在一个偏振方向的入射光能共振，其他入射偏振光无共振效应，从而通过改变入射光的偏振角来实现光开光的作用。该专利技术采用入射偏振角的改变来实现光开关的作用，未涉及针对同一偏振入射光的光开关。中国专利技术专利(CN107329209A)M*N多播传送光开关，通过低折射率差的光分路器阵列与高折射率的光开关阵列的集成，利用不同材料的波导阵列得到了多播传送光开关。该专利技术采用多种波导来实现开关功能，未涉及到平面结构的光开关。中国专利技术专利(CN106873082A)一种开口谐振环超材料光开关，结构为陶瓷材料的基底和开口谐振环，利用光激发能够引起陶瓷材料介电常数改变的特征，使开口谐振环的谐振频率或者谐振强度发生变化，实现光开关的功能。该专利技术利用了入射光引起材料特性的改变，不能实现实时的开关调控。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种通过电压调控能够实时改变入射光透过率的基于石墨烯/金属混合结构的光开关。根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，包括：衬底反射层，所述衬底反射层用于反射入射光；介质层，所述介质层设在所述衬底反射层上；石墨烯层，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯层设在所述介质层上，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构；金属结构层，所述金属结构层设在所述石墨烯层上；金属电极，所述金属电极分别设于所述衬底反射层和所述石墨烯层；以及电压源，所述电压源与所述石墨烯层连接，通过所述电压源向所述石墨烯层施加电压以影响所述金属结构层的等离子共振效应。根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，通过衬底反射层、介质层和石墨烯层一起构成电容结构，并利用电压源向石墨烯层施加电压以影响金属结构层的等离子共振效应，进而能够实现通过改变外部的施加电压调控透过率，当外部电压为两个不同的数值时，器件对入射光呈现出“开”和“关”的状态。具体地，通过将金属结构和石墨烯结合，形成金属结构/石墨烯/介质的混合结构，来实现对入射光的调控功能。其中，金属结构层能够通过等离子激元共振效应来实现某一波长的入射光的透过率进行调控，通过电压调控石墨烯，使得石墨烯具有不同的折射率，从而改变金属结构等离子激元的共振波长，使得整个结构在同一入射光的条件下具有透过率为0和不为0的两种情况，由此来实现光开关的功能。另外，根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的一个实施例，所述衬底反射层为金属。根据本专利技术的一个实施例，所述衬底反射层为金、银或铝。根据本专利技术的一个实施例，所述介质层为氧化铝、氮化硼、氟化镁或二氧化硅，所述介质层的厚度为0-2um。根据本专利技术的一个实施例，所述石墨烯层的层数为1-15层。根据本专利技术的一个实施例，所述电压源施加的电压为0-200v。根据本专利技术的一个实施例，所述金属结构层的材料为金、银、铝、镍、铬、钛和铜中的至少一个或者其合金。根据本专利技术的一个实施例，所述金属结构层为金属光栅，所述金属光栅的周期为150nm-10μm，占宽比为0.2-0.9，高度为10nm-200nm。根据本专利技术的一个实施例，所述金属光栅的形状为矩形，梯形和正三角形中的至少一个或者其组合。根据本专利技术的一个实施例，所述石墨烯层平铺于所述介质层上。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关的结构示意图；图2是石墨烯的费米能级图；图3是根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关不具有石墨烯层时的不同费米能级下的反射率与波长关系图；图4(a)是根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关的石墨烯层为单层时不同费米能级下的反射率与波长关系图；图4(b)是根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关的石墨烯层为5层时不同费米能级下的反射率与波长关系图；图4(c)是根据本专利技术实施例的基于石墨烯/金属混合结构的光开关的石墨烯层为10层时不同费米能级下的反射率与波长关系图。附图标记：基于石墨烯/金属混合结构的光开关100；衬底反射层10；介质层20；石墨烯层30；金属结构层40；金属电极50。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关，其特征在于，包括：衬底反射层，所述衬底反射层用于反射入射光；介质层，所述介质层设在所述衬底反射层上；石墨烯层，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯层设在所述介质层上，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构；金属结构层，所述金属结构层设在所述石墨烯层上；金属电极，所述金属电极分别设于所述衬底反射层和所述石墨烯层；以及电压源，所述电压源与所述石墨烯层连接，通过所述电压源向所述石墨烯层施加电压以影响所述金属结构层的等离子共振效应。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关，其特征在于，包括：衬底反射层，所述衬底反射层用于反射入射光；介质层，所述介质层设在所述衬底反射层上；石墨烯层，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯层设在所述介质层上，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构；金属结构层，所述金属结构层设在所述石墨烯层上；金属电极，所述金属电极分别设于所述衬底反射层和所述石墨烯层；以及电压源，所述电压源与所述石墨烯层连接，通过所述电压源向所述石墨烯层施加电压以影响所述金属结构层的等离子共振效应。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，其特征在于，所述衬底反射层为金属。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，其特征在于，所述衬底反射层为金、银或铝。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属混合结构的光开关，其特征在于，所述介质层为氧化铝、氮化硼、氟化镁或二氧化硅，所述介质层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹冰，杨松，王钦华，赵恩，刘伊，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32