本實(shí)用新型屬于亞波長(zhǎng)光子學(xué)領(lǐng)域及集成光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種工作于太赫茲波段的基于石墨烯混合等離激元波導(dǎo)的偏振分束器。

背景技術(shù)：

目前的偏振分束器的機(jī)構(gòu)主要分為基于平面光柵，陣列波導(dǎo)光柵，光子晶體，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，定向耦合器，以及多模干涉耦合型的偏振分束器。制成的偏振分束器在可見(jiàn)光及近紅外波段有較好的集成度，尺寸小，透射率高，分束角大，消光比高等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于工作于太赫茲波段的偏振分束器，因波長(zhǎng)較大，相對(duì)尺寸較大，不適應(yīng)于高度集成器件的發(fā)展。

2008年，加州大學(xué)伯克利分校X.Zhang課題組提出了一種基于納米線(xiàn)的混合等離激元波導(dǎo)，并成功的研制一款亞微米尺寸的激光器。到目前為止，已有研究提出混合等離激元的波導(dǎo)可以達(dá)到低于100nm的光場(chǎng)限制能力以及高達(dá)100μm量級(jí)的傳輸距離。但由于基于金屬混合等離激元波導(dǎo)模式激發(fā)的偏振依賴(lài)性，大多波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只可以傳輸TM混合等離激元波導(dǎo)模式，不能支持TE混合等離等離激元模式，并且在長(zhǎng)波長(zhǎng)情況下?lián)p耗大，對(duì)光的限制能力較弱，進(jìn)而限制了在長(zhǎng)波長(zhǎng)情況下波導(dǎo)型偏振分束器的集成度及性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輸入波導(dǎo)能夠同時(shí)支持TE及TM偏振態(tài)混合等離激元波導(dǎo)模式激發(fā)、能夠分開(kāi)兩種偏振模式，達(dá)到分束的目的、并能在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作情況下的高集成度的偏振分束器。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：一種基于石墨烯混合等離激元波導(dǎo)的偏振分束器，包括：SiO₂襯底以及位于襯底之上的兩個(gè)平行放置的Graphene-SiO₂-Si混合等離激元波導(dǎo)；其中位于左側(cè)的輸入波導(dǎo)為單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)，位于右側(cè)的耦合波導(dǎo)為普通混合等離激元條形波導(dǎo)。

所述輸入波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為Graphene-SiO₂-Si三層結(jié)構(gòu)，Si部分為寬20nm、高20nm，頂面與左側(cè)面依次堆疊5nm的SiO₂層以及Graphene層。

所述耦合波導(dǎo)由下至上由Si層、SiO₂層及Graphene層堆疊構(gòu)成，波導(dǎo)寬度為25nm，Si部分高20nm，SiO₂高5nm。

所述輸入波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)之間的間距為5nm。

所述波導(dǎo)在30THz工作頻率下耦合波導(dǎo)長(zhǎng)度為340nm。

這種基于石墨烯混合等離激元波導(dǎo)的偏振分束器是由半凸型混合等離激元波導(dǎo)和普通條形混合激元波導(dǎo)組成。單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)可以同時(shí)支持偏振態(tài)混合等離激元波導(dǎo)模式的激發(fā)的傳輸，普通條形混合等離激元波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)其中一種偏振態(tài)的耦合，從而實(shí)現(xiàn)分束。

由于石墨烯混合等離激元波導(dǎo)中的波導(dǎo)模式的波長(zhǎng)要比光波波長(zhǎng)小1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得石墨烯混合等離激元波導(dǎo)相對(duì)于傳統(tǒng)波導(dǎo)及金屬混合等離激元波導(dǎo)的模式限制體積小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。單邊混合等離激元左側(cè)和頂層的石墨烯(Graphene)-SiO₂-Si多層設(shè)計(jì)保證了對(duì)TE和TM偏振態(tài)同時(shí)的混合等離激元波導(dǎo)模式的激發(fā)和傳輸，因此通過(guò)采用石墨烯混合等離激元波導(dǎo)大大的縮小了輸入波導(dǎo)的體積。

單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)由如下方式獲得：由Graphene-SiO2-Si三層結(jié)構(gòu)組成的倒U型混合等離激元波導(dǎo)切掉邊角得到凸型混合等離激元波導(dǎo)，再進(jìn)一步切去右側(cè)Graphene-SiO₂得到；Si部分為寬20nm、高20nm，頂面與左側(cè)面堆疊5nm左右的SiO₂層以及石墨烯層。耦合波導(dǎo)的普通混合等離激元條形波導(dǎo)由Si層、SiO₂層及Graphene層堆疊構(gòu)成。波導(dǎo)寬度為25nm，Si部分高20nm，SiO₂高5nm左右。側(cè)面的SiO₂的寬度的增加會(huì)使兩種模式有效折射率的實(shí)部有相反的變化趨勢(shì)。因此在通過(guò)減小側(cè)面SiO₂的寬度不僅可以提高兩種模式的耦合效率，而且可以減小波導(dǎo)的尺寸。

普通型混合等離子激元波導(dǎo)寬25nm。兩波導(dǎo)中間距為5nm。在適當(dāng)范圍內(nèi)，通過(guò)減小中間SiO₂的厚度會(huì)使有效折射率的實(shí)部和虛部同時(shí)增加，增加了波導(dǎo)的限制能力，從而減小波導(dǎo)的尺寸。

輸入波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)之間的間距為5nm，30THz工作頻率下波導(dǎo)長(zhǎng)度為340nm。

采用單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)與普通型混合等離激元波導(dǎo)相結(jié)合的方法，使得在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作情況下，輸入波導(dǎo)能夠支持TE和TM模式的同時(shí)的混合等離激元波導(dǎo)模式的激發(fā)和傳輸，從而具有高集成度，限制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的偏振分束器。

本實(shí)用新型具有在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作情況下超高集成度，限制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)波導(dǎo)以及偏振分束器的不足，是對(duì)偏振分束器的一種創(chuàng)新。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例偏振分束器結(jié)構(gòu)截面圖。

圖2為實(shí)施例倒U型混合等離激元波導(dǎo)截面圖。

圖3為實(shí)施例凸型混合等離激元波導(dǎo)截面圖。

圖4為實(shí)施例600nm波導(dǎo)長(zhǎng)度下30THz輸入時(shí)TM模式電場(chǎng)分布示意圖。

圖5為實(shí)施例340nm波導(dǎo)長(zhǎng)度下30THz輸入時(shí)TM模式電場(chǎng)分布示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分束器件，包括SiO₂襯底1，單邊凸型混合等離子激元波導(dǎo)2和普通型混合等離子激元波導(dǎo)3。SiO₂襯底的寬度為800nm、厚度為100nm、寬度為100nm。單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)由寬20nm、高20nm的Si，上面和側(cè)面分別堆疊5nm的SiO₂和0.4nm的石墨烯構(gòu)成。普通條形型混合等離子激元波導(dǎo)由寬25nm，高20nm的Si上面堆疊5nm的SiO₂和0.4nm的石墨烯構(gòu)成。

單邊凸型混合等離激元波導(dǎo)由如下方式獲得：由Graphene-SiO2-Si三層結(jié)構(gòu)組成的倒U型混合等離激元波導(dǎo)(圖2)切掉邊角得到凸型混合等離激元波導(dǎo)(圖3)，再進(jìn)一步切去右側(cè)Graphene-SiO₂得到。Si部分為寬20nm、高20nm，頂面與左側(cè)面堆疊5nm左右的SiO₂層以及石墨烯層。

以單邊凸型波導(dǎo)為輸入波導(dǎo)，普通條形型波導(dǎo)為輸入波導(dǎo)，設(shè)置30THz輸入電磁波，得到600nm場(chǎng)波導(dǎo)情況下的場(chǎng)。圖4為T(mén)M模式的場(chǎng)分布，從圖中可以看出在340nm左右的傳播距離時(shí)下波導(dǎo)(輸入波導(dǎo))中光場(chǎng)最弱，上波導(dǎo)(耦合波導(dǎo))中光場(chǎng)最強(qiáng)，即耦合長(zhǎng)度在340nm左右。根據(jù)耦合長(zhǎng)度L_c＝π/[(n_e-n_o)/k₀]，可得耦合長(zhǎng)度為349nm，與模擬結(jié)構(gòu)基本符合。圖5為波導(dǎo)長(zhǎng)度為340nm時(shí)的TM模式電場(chǎng)分布圖，展示了器件的偏振分束特性。