一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，该传输耦合效率可调控，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；本发明专利技术可改变石墨烯等离激元极化波和hBN声子极化波的动量匹配条件，从而调控极化波之间的传输耦合效率；当调控石墨烯费米能达到两种极化波动量匹配点时，极化波之间的耦合效率可达到100％，实现100％透射。

【技术实现步骤摘要】
一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置及制备方法
本专利技术涉及光子集成回路
，特别涉及一种等离激元极化波和声子极化波波导在石墨烯/hBN面内异质结上传输耦合的装置及方法。
技术介绍
光子集成回路可以克服光学衍射极限，将器件尺度极大缩小，可以实现纳米尺度上集成，同时其借助光信号进行信息传输，极大降低了传输过程中损耗，为在互联光路、光计算等功能方面显现出巨大的潜力和优势，有可能是取代“集成电路”的新一代信息技术的重要支柱。石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的电学和光学等特性，在光电器件和光子集成回路领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯上会支持等离激元极化波模式，这是自由空间中入射光子和石墨烯上的电子耦合形成的。石墨烯等离激元可以将空间中光束缚在纳米尺度上，实现高局域的电磁波导模式，有利于实现更小尺寸上光子集成回路。石墨烯等离激元极化波也容易被调控，通过加栅压或者化学掺杂方式改变其费米能实现。石墨烯电导率可以由Kubo方程给出，介电函数通过电导率计算得来。(Nanoscale,2017,9(39):14998-15004.)hBN(氮化硼)是层状范德华晶体，其由各个原子平面通过范德华弱相互作用力耦合在一起。hBN是天然低损耗的红外双曲材料，在它的上剩余射线带(1370-1610cm-1)和下剩余射线带(780-830cm-1)内支持声子激元极化波。声子极化波是自由空间中的光子与hBN中的声子发生耦合形成的，其具有低损耗长距离传输的优势。它的电磁波导模式依赖于hBN的厚度，主要分布材料体内和表面，也可以实现将光束缚在纳米尺度内，有利于实现更小尺寸上光子集成回路。hBN的介电函数通过第一性原理推导计算得来，可参考(Nanoletters,2015,15(5):3172-3180.)。石墨烯/hBN面内异质结可以通过化学气相沉积手段进行生长，面内异质结的制备，为未来实现更小尺度的纳米集成电路和纳米集成光子回路奠定了材料的基础。然而，在几层甚至单层原子尺度上，波导模式分析和极化波的传导一直存在着极大的挑战。因此专利技术了一种在石墨烯/hBN面内异质结上高效调控极化波波导的传输耦合的方法。
技术实现思路
本专利技术的技术方案：一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，所述装置传输耦合效率可调控，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；其中，所述电介质层沉积在衬底上，石墨烯/hBN面内异质结薄膜覆盖于电介质层上；设置偏置电压源，所述偏置电压源的一极加在衬底上，另一极加在石墨烯上。优选的，所述石墨烯/hBN面内异质结薄膜是通过化学气相沉积法制备出来的，其上面支持的极化波可以用散射型近场光学显微镜或者棱镜耦合的方式激发和探测的。优选的，所述衬底的材料包括Si，用于作为导电栅极层；所述电介质层的材料包括SiO2,MgF2，CaF2，BaF2，空气材料，所述电介质层的厚度范围为10nm～3000nm；所述偏置电压源的金属材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其中金属材料的宽度和长度范围为10nm～2×107nm，厚度范围为5nm～3×106nm。优选的，通过设计不同的偏置电压，进而改变石墨烯费米能和石墨烯等离激元极化波的色散关系，改变了石墨烯等离激元极化波和hBN声子极化波的动量匹配条件，人为的调控极化波之间的传输耦合效率。优选的，当石墨烯的迁移率2000cm2/Vs，hBN的厚度为1nm，在hBN支持声子极化波的频段选定1377cm-1和1385cm-1的激发光源频率，改变石墨烯上的偏压，极化波之间耦合透射率将被大幅度调制。优选的，在频率1377cm-1支持的极化波之间耦合透射被从0％调制到100％，其中费米能从0.1eV到0.6eV变化。一种制备所述的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置的方法，所述方法具体的包括以下步骤；(1)制作电介质层：利用电子束蒸镀、原子层沉积或分子束外延生长的方法在衬底上制备电介质层薄膜作为介电基底，其中衬底的材料为硅；(2)制备石墨烯/hBN薄膜：通过标准的化学气相沉积法获取石墨烯/hBN面内异质结薄膜；(3)转移石墨烯/hBN面内异质结薄膜：将化学气相沉积法的石墨烯/hBN面内异质结薄膜转移到上述制备的电介质层上；(4)制作电源极层：利用紫外光刻、电子束曝光、电子束蒸镀或热蒸镀或磁控溅射或分子束外延生长的方法制备电源极层。本专利技术的有益效果：本专利技术一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，通过在散射型近场光学显微镜的激发探测下，通过设计不同的偏置电压，进而改变石墨烯费米能和石墨烯等离激元极化波的色散关系，因此改变了石墨烯等离激元极化波和hBN声子极化波的动量匹配条件，进而调控极化波之间的传输耦合效率。本专利技术可实现宽频率、高效率的调控面内异质结上极化波波导传输耦合，为小型化光波导器件和纳米集成光子回路提供了良好的前景。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1所示为本专利技术的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置的纵向剖面主视图。图2所示为本专利技术的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置的制备方法流程图。图3a～图3c所示为本专利技术石墨烯层与hBN层的结构分布图。图4a～图4c所示为本专利技术的两种极化波的色散关系与透射率的关系对照图。图5所示为本专利技术的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置的传输耦合方法的性能展示。图6a～图6b所示为本专利技术的基于面内异质结的极化波波导传输耦合方法的物理机制图。图7所示为本专利技术的基于面内异质结的极化波波导传输耦合方法在宽频率范围内的性能展示。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。图1所示为本专利技术基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置的纵向剖面主视图。如图1所示，基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置包括自下而上依次设置的衬底101、电介质层102、石墨烯/hBN面内异质结薄膜103；其中所述石墨烯/hBN面内异质结薄膜103包括石墨烯层103a和hBN层103b，其中石墨烯层103a和hBN层103b的分布方式包括“日”字型，“回”字型，等。具体的，图3a～图3c所示为本专利技术石墨烯层与hBN层的结构分布图，如图3a所示，石墨烯/hBN面内异质结薄膜103包括石墨烯层103a和hBN层103b，其中石墨烯层103a和hBN层103b的分布方式为“日”字型；如图3b，图3c所示，石墨烯/hBN面内异质结薄膜103包括石墨烯层103a和hBN层103b，其中石墨烯层103a和hBN层103b的分布方式为类“回”字型，其中hBN层103b的结构包括圆形，多边形等。所述电介质层102本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；其中，所述电介质层沉积在衬底上，石墨烯/hBN面内异质结薄膜覆盖于电介质层上；设置偏置电压源，所述偏置电压源的一极加在衬底上，另一极加在石墨烯上。

【技术特征摘要】
1.一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；其中，所述电介质层沉积在衬底上，石墨烯/hBN面内异质结薄膜覆盖于电介质层上；设置偏置电压源，所述偏置电压源的一极加在衬底上，另一极加在石墨烯上。2.根据权利要求1所述的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，其特征在于，所述石墨烯/hBN面内异质结薄膜是通过化学气相沉积法制备出来，其上面支持的极化波可以用散射型近场光学显微镜激发和探测的。3.根据权利要求1所述的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，其特征在于，所述衬底的材料包括Si，用于作为导电栅极层；所述电介质层的材料包括SiO2,MgF2，CaF2，BaF2，空气材料，所述电介质层的厚度范围为10nm～3000nm；所述偏置电压源的金属材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其中金属材料的宽度和长度范围为10nm～2×107nm，厚度范围为5nm～3×106nm。4.根据权利要求1所述的基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，其特征在于，通过设计不同的偏置电压，进而改变石墨烯费米能和石墨烯等离激元极化波的色散关系，改变了石墨烯等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，郭相东，杨晓霞，胡海，胡德波，廖宝鑫，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11