一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器制造技术

本实用新型专利技术属于光学器件领域，为提高调制器调制深度和带宽提出一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底，衬底上覆盖有石墨烯调制层，调制层上通过镀膜

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器


[0001]本技术涉及光学器件
，具体为一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器。

技术介绍

[0002]石墨烯作为一种二维材料，由单层碳原子以蜂窝状晶格结构排布，其柔性可弯曲的特点使其能够与超表面结构相结合；而且石墨烯具备超宽的调控带宽(从近红外到太赫兹)，超高的载流子迁移率可以达到200000cm2/(V
·
s)，这为实现宽波段超快光电子器件提供了可能。光调制器作为芯片光互联中的核心器件，在未来具有着十分重要的应用前景。近年来，关于石墨烯光调制器的研究受到国内外学者的广泛研究。
[0003]为了提高石墨烯光调制器的调制深度和调制带宽，需要增强光与石墨烯的相互作用，目前关于石墨烯光调制器的研究主要包括：基于波导结构的石墨烯光调制器和基于超表面的石墨烯光调制器。对于基于波导结构的石墨烯光调制器，其调制能力对波导长度具有强烈的依赖性，例如：Liu等人将单层石墨烯与硅波导耦合，通过调节石墨烯的费米能级，在1.35μm到1.60μm 的近红外波段实现了40μm波导长度内～0.1dB/μm的调制深度(参见[MingLiu,et.al.,"A Graphene-Based Broadband Optical Modulator",Nature, vol.474,no.(7349),pp.64-67,2011])。除了利用波导增强石墨烯的调制能力，还可以将石墨烯表面等离子体与超表面结合，提高石墨烯与光的相互作用。例如：Gao等人将单层石墨烯平铺在硅光栅上，利用导模共振并通过给石墨烯施加偏置电压实现对TM光的透射调制，当费米能级从0.4eV增加到0.9eV时，共振峰频率可以从1000cm-1
迁移到1400cm-1
(约为7
–
10μm)，调制深度可达10dB(参见[Weilu Gao,et.al.,"Excitation of Plasmonic Waves in Graphene by Guided-Mode Resonances",Acs Nano,vol.6,no. (9),pp.7806-7813,2012])。上述基于石墨烯的光调制器虽然各自的机理不同，但石墨烯与电场弱的相互作用限制了器件的调制深度和调制带宽。

技术实现思路

[0004]本技术的目的在于提供一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，以解决现有调制器存在的调制深度和调制带宽不高的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底，所述衬底上覆盖有调制层，所述调制层上通过镀膜-刻蚀设有非金属光栅层，所述非金属光栅层上通过镀膜设有金属光栅层，所述衬底两侧分别通过镀膜设有电极一与电极二，所述调制层为石墨烯。
[0006]优选的，所述石墨烯可以直接生长或者转移至所述衬底上，可以为单层或者多层所述石墨烯，形状可以为一片完整的石墨烯也可以是石墨烯纳米带阵列。
[0007]优选的，所述非金属光栅层的材料为硅，且利用镀膜工艺沉积在所述调制层的上方，形成一层均匀的硅膜，通过刻蚀工艺形成所述非金属光栅层。
[0008]优选的，所述金属光栅层的材料为铝，利用镀膜工艺均匀地沉积于所述非金属光栅层的上表面，且位于所述非金属光栅层狭缝中的所述调制层的上方。
[0009]优选的，所述电极一沉积在未被所述调制层覆盖的所述衬底上方，且电极的材料为金、银、铜金属，所述衬底的材料为硅。
[0010]优选的，所述电极二沉积在以所述非金属光栅层延伸部分的所述调制层的上方，电极的材料为金、银、铜金属。
[0011]优选的，所述石墨烯的层数为15层，所述非金属光栅层的周期为P＝250nm，高度H1＝700nm，宽度W＝110nm，所述金属光栅层的厚度H2＝50nm。
[0012]优选的，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压。
[0013]有益效果
[0014]本技术所提供的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，将石墨烯的调制层与非金属光栅层耦合，利用金属光栅的优异偏振特性和对石墨烯局域表面等离子激元进一步增强的场约束能力，从而大幅提高器件的调制深度和调制带宽，该结构对TE线偏振入射光具有强反射，对TM线偏振入射光可实现在宽波段范围内的透射调制，该特性可以使本技术实现自然光入射时，对透射光高调制深度、宽调制带宽的调制功能。
附图说明
[0015]图1为本技术的剖面结构示意图；
[0016]图2为本技术的立体结构示意图；
[0017]图3为在入射光为TM线偏振光条件下，石墨烯为不同费米能级的透射率谱线图；
[0018]图4为在入射光为TE线偏振光条件下，石墨烯为不同费米能级的透射率谱线图；
[0019]图5为石墨烯的费米能级为0.3eV，共振波长为13.5μm的电场分布图；
[0020]图6为石墨烯的费米能级为0.3eV，波长为7μm(远离共振峰)的电场分布图；
[0021]图7为硅光栅的高度H1＝500nm时，不同费米能级的透射率谱线图；
[0022]图8为硅光栅的高度H1＝600nm时，不同费米能级的透射率谱线图；
[0023]图9为硅光栅的高度H1＝700nm时，不同费米能级的透射率谱线图。
[0024]附图标记
[0025]1-衬底，2-调制层，3-非金属光栅层，4-金属光栅层，5-电极一，6-电极二，H1-硅光栅高度，H2-金属光栅层厚度，W-硅光栅宽度，P-周期。
具体实施方式
[0026]以下是本技术的具体实施例，对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。
[0027]实施例
[0028]如图1-2所示，一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底1，衬底1上覆盖有调制层2，调制层2上通过镀膜-刻蚀设有非金属光栅层3，非金属光栅层3上通过镀膜设有金属光栅层4，衬底1两侧分别通过镀膜设有电极一5与电极二6，所述调制层2为石墨烯。
[0029]本技术的调制机理可由石墨烯在红外波段所激发的局域表面等离激元共振
来解释。自然光入射至如图1所示的1-衬底中，由于硅在中远红外波段具有良好的透过率，因此入射光经过1-衬底后到达2-调制层，与石墨烯发生作用。在中红外到太赫兹波段，由于石墨烯特殊的光学性质可以激发表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)，产生共振峰。在如图1所示的结构中，电场垂直于栅线方向的TE线偏振光无法激发表面等离激元，因此会直接透过石墨烯，一部分TE光经过3-非金属光栅层(硅光栅)被4-金属光栅层反射，另一部分TE光透过石墨烯后直接被4-金属光栅层反射，因此 TE光无法透过，表现为强烈反射。TM光经过1-衬底后与2-调制层(石墨烯) 发生作用，激发表面等离子体，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底(1)，其特征在于：所述衬底(1)上覆盖有调制层(2)，所述调制层(2)上通过镀膜-刻蚀设有非金属光栅层(3)，所述非金属光栅层(3)上通过镀膜设有金属光栅层(4)，所述衬底(1)两侧分别通过镀膜设有电极一(5)与电极二(6)，所述调制层(2)为石墨烯。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，其特征在于：所述石墨烯直接生长或者转移至所述衬底(1)上，所述石墨烯为单层或者多层，所述石墨烯形状为一片完整的石墨烯或石墨烯纳米带阵列。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，其特征在于：所述非金属光栅层(3)的材料为硅，且镀膜沉积于所述调制层(2)的上方，通过刻蚀工艺形成所述非金属光栅层(3)。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，其特征在于：所...

【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：