一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，包括：衬底，以及覆盖在衬底上的调制层，调制层上通过光刻‑镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，金属纳米圆柱阵列作为电极一，调制层上通过镀膜设有电极二，调制层为石墨烯；石墨烯层直接生长或者转移至衬底上，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压，介质层的材料为光刻胶，光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，通过二次双光束全息光刻工艺形成介质层，本实用新型专利技术提供一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，以解决现有石墨烯光开关调制深度较低和制备复杂的问题，实现了一种与入射偏振无关，结构和制备相对简单，具有优异调制深度和调制带宽的反射式光开关。

【技术实现步骤摘要】
一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置
本技术涉及一种光学器件领域，尤其涉及一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置。
技术介绍
随着光通迅产业的快速发展，微纳光电子器件凭借其优异的性能和超小的体积以及可与光纤集成的优势，受到人们广泛的关注。石墨烯作为一种可调谐材料有优异的光学和电学性质，凭借其超高的载流子迁移率，可以通过外加电压的方式，使石墨烯的电调节速率达到GHz，从而被应用于超快光电器件，如光电探测器等，其在光通讯领域的应用也受到越来愈多的关注。由于石墨烯特殊的光学性质，在中红外到太赫兹波段，可以通过激发石墨烯表面等离子体来增强其对电磁场的吸收和局域作用，进而实现对电磁场的调控。然而，在可见光到近红外波段(包括光通讯波段)，石墨烯无法被激发表面等离子体，这使得石墨烯难以在光通迅波段通过表面等离子激元实现器件的调节和操控。为了提高石墨烯对可见光及近红外波段电磁波的吸收率，往往通过将石墨烯与谐振腔或光子晶体结合，通过腔内多次反射或光子局域等方式来增强石墨烯的对入射光的吸收能力。例如：Polat等提出的基于石墨烯超级电容的光调制器是将石墨烯作为电容器的两个平行电极板，中间充满电解质。入射光进入结构后在两个石墨烯电极板间多次反射，增强了石墨烯对光的吸收。当给石墨烯两端施不同的偏置电压时，石墨烯的吸收率会发生变化，从而实现450nm到2m波段内35％的光学透过率调制深度(参见[EmreO.Polat,et.al.,"BroadbandOpticalModulatorsBasedonGrapheneSupercapacitors",NanoLetters,vol.13,no.(12),pp.5851-5857,2013])。在此之上，还可以引入微纳结构超表面，提高石墨烯与光的相互作用。例如：Cai等人将石墨烯引入到基于金属狭缝-介质-金属(MDM)表面等离子共振结构中，通过调控石墨烯的费米能级而改变石墨烯的光学性质(介电常数)将能显著调控相邻金属狭缝及MDM腔内表面等离子的耦合效应，从而调控吸收体的共振吸收波长，对TM入射光的进行反射调制，实现在近红外(1000-2400nm)波段的完美吸收，在1950nm波长处的反射率可在45％和6％的之间实现开关调制。(参见[YijunCai,et.al.,"Enhancedspatialnear-infraredmodulationofgraphene-loadedperfectabsorbersusingplasmonicnanoslits",OpticsExpress,vol.23,no.(25),pp.32318-32328,2015])。在本技术前，中国技术专利(CN108563040A)基于石墨烯/金属混合结构的光开关。通过将石墨烯置于金属-介质-金属的结构中，利用谐振腔增强了光与石墨烯的相互作用，通过给石墨烯施加直流偏置电压改变了石墨烯的光学性质，从而影响金属光栅的等离子体共振峰的位置，对TM线偏振光实现光开关的功能。但是其同时只能对单一波长实现光开关的功能，而且金属光栅结构增加了对入射光偏振态的依赖，而刻蚀金属光栅大幅增加了制备和应用的难度。上述基于石墨烯的光学器件虽然具备一定的调节能力，但对入射光的偏振态有一定的依赖性，且石墨烯与电场弱的相互作用和复杂的制备工艺限制了石墨烯光开关的调制深度和应用前景。
技术实现思路
本技术克服了现有技术的不足，提供一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置。为达到上述目的，本技术采用的技术方案为：一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，包括：衬底，以及覆盖在所述衬底上的调制层，其特征在于：所述调制层上通过光刻-镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，所述金属纳米圆柱阵列作为电极一，所述调制层上通过镀膜设有电极二，所述调制层为石墨烯；至少一层所述石墨烯直接生长或者转移至所述衬底上；所述介质层的材料为光刻胶，所述光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，形成一层均匀的光刻胶薄膜，通过二次双光束全息光刻工艺形成所述介质层。本技术一个较佳实施例中，所述金属纳米圆柱阵列的材料为金属铝。本技术一个较佳实施例中，利用镀膜工艺将所述金属铝均匀地沉积于所述介质层的上表面，且完全覆盖并包裹住介质层。本技术一个较佳实施例中，所述电极二沉积在未被所述纳米圆柱阵列覆盖的所述调制层的上方。本技术一个较佳实施例中，所述电极二的材料为金、银或铜金属。本技术一个较佳实施例中，所述衬底的材料为二氧化硅。本技术一个较佳实施例中，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压。本技术一个较佳实施例中，所述光开关的调制深度定义为：其中Ron和Roff分别为光开关打开和关闭时的反射率。本技术一个较佳实施例中，所述石墨烯的层数为15层。本技术一个较佳实施例中，所述介质层的厚度为190nm。本技术一个较佳实施例中，所述金属纳米圆柱阵列的周期为250nm，直径为200nm。本技术一个较佳实施例中，所述光开关结构在通讯波段1400-1700nm范围内。本技术一个较佳实施例中，所述光开关的调制深度最高可以达到99.77％(26.35dB)。本技术解决了
技术介绍
中存在的缺陷，本技术具备以下有益效果：(1)本技术所提供的基于石墨烯吸收增强的近红外宽波段光开关，将石墨烯的调制层与金属纳米圆柱阵列耦合，利用金属铝圆柱阵列可以被激发磁等离子体共振效应，在磁等离子体共振效应条件下，石墨烯与入射光的相互作用显著增强导致石墨烯的吸收显著增加，使得反射光显著减小。(2)本技术中当石墨烯的费米能级改变时，石墨烯的介电常数发生改变，从而改变金属铝圆柱阵列的磁共振效应的频率和振幅，实现光开关的功能，进而增大光开关的调制深度；且由于上述结构采用了二维的铝圆柱阵列，对于入射光的两个相互垂直的偏振方向(TE光和TM光)具有对称性，由于任意偏振态的入射光都可以分解为两个相互垂直的TE光和TM光，因而该结构的光开关功能与入射光的偏振态无关(无论入射光是TE、TM光或自然光)；同时该结构可通过大面积紫外曝光结合金属镀膜的方法实现，无需对金属进行离子刻蚀，大大减小了实验制备难度。(3)本技术中光开关在通讯波段1400-1700nm范围内，调制深度大于91.36％(10.63dB)，最大可以达到99.77％(26.35dB)。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；图1是本技术的优选实施例的立体结构图；图2是本技术的优选实施例的沿圆孔直径切割的两个单元的截面图；图3(a)、3(b)、3(c)是本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，包括：衬底，以及覆盖在所述衬底上的调制层，其特征在于：/n所述调制层上通过光刻-镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，所述金属纳米圆柱阵列作为电极一，所述调制层上通过镀膜设有电极二，所述调制层为石墨烯层，至少一层所述石墨烯层直接生长或者转移至所述衬底上，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压；/n所述介质层的材料为光刻胶，所述光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，形成一层均匀的光刻胶薄膜，通过二次双光束全息光刻工艺形成所述介质层。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，包括：衬底，以及覆盖在所述衬底上的调制层，其特征在于：
所述调制层上通过光刻-镀膜设有介质层和金属纳米圆柱阵列，所述金属纳米圆柱阵列作为电极一，所述调制层上通过镀膜设有电极二，所述调制层为石墨烯层，至少一层所述石墨烯层直接生长或者转移至所述衬底上，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压；
所述介质层的材料为光刻胶，所述光刻胶通过旋涂机旋涂于调制层的上方，形成一层均匀的光刻胶薄膜，通过二次双光束全息光刻工艺形成所述介质层。


2.根据权利要求1所述的一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，其特征在于：所述金属纳米圆柱阵列的材料为金属铝。


3.根据权利要求2所述的一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，其特征在于：利用镀膜工艺将所述金属铝均匀地沉积于所述介质层的上表面，且完全覆盖并包裹住介质层。


4.根据权利要求3所述的一种利用石墨烯耦合的近红外宽波段光开关装置，其特征在于：所述金属纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钦华，袁志豪，曹冰，熊先杰，何耿，周浩，罗安林，陈王义博，徐立跃，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32