本發(fā)明涉及一種光通信領(lǐng)域的基于石墨烯材料的調(diào)制器，尤其涉及一種基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

1、硅基調(diào)制器是光通信中的核心器件，但傳統(tǒng)的硅基波導(dǎo)調(diào)制器(例如硅光調(diào)制器)受到硅基材料本身在光學(xué)調(diào)制方面的局限性所致，其理論帶寬極限小于70千兆赫茲，能耗高幾十個(gè)fj/bit已經(jīng)是較低數(shù)據(jù)了?；趩螌邮┑墓杌剐尾▽?dǎo)集成光調(diào)制器，通過(guò)主動(dòng)調(diào)諧單層石墨烯片的費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，其調(diào)制器的3db帶寬約為1ghz。這個(gè)帶寬受到器件的寄生響應(yīng)限制，而不是載流子傳輸時(shí)間的限制。由于石墨烯的載流子遷移率和飽和速度極高，帶寬受寄生響應(yīng)限制，約為1ghz。由于石墨烯的厚度非常薄，它對(duì)光的吸收和調(diào)制能力有限，因此單層石墨烯在光調(diào)制中的效果有限，尤其是常見的硅基介質(zhì)波導(dǎo)，光場(chǎng)主要分布在介質(zhì)中心，大大降低了和表面石墨烯的相互作用。為了增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用，研究人員將石墨烯與等離激元波導(dǎo)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于等離激元角模式混合石墨烯雜化波導(dǎo)調(diào)制器。但是，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，雖然表面等離激元的模場(chǎng)可以在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)靈活地受到金屬微納結(jié)構(gòu)的調(diào)控，但是由于金屬的歐姆損耗，等離激元波導(dǎo)存在較大的傳播損耗，而且傳統(tǒng)的表面等離激元的主要場(chǎng)分量和石墨烯平面垂直，和石墨烯的平行的分量占比很低，使其不能有效與石墨烯發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致了基于純等離激元的石墨烯光調(diào)制器開關(guān)比很難提高并伴隨著較大能耗，限制了其應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，提高了基于石墨烯材料的調(diào)制器的開關(guān)比、帶寬以及各項(xiàng)調(diào)制性能。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，該光調(diào)制器包括從上至下的類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)、石墨烯層、介質(zhì)間隔層、基底和底部電極，所述石墨烯層上方、類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)柵壓電極；所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)為金屬波導(dǎo)，所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的截面為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的開口端與石墨烯層接觸；所述介質(zhì)間隔層厚度為5-50nm。石墨烯層為二維材料，石墨烯層的厚度一般為單原子層的厚度。待調(diào)制的輸入光垂直于該截面入射，使用電場(chǎng)偏振方向水平或者磁場(chǎng)偏振方向沿傳播方向的光場(chǎng)激發(fā)，在類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的開口端面和介質(zhì)間隔層靠近石墨烯層的界面處激發(fā)雜化表面等離激元；兩側(cè)柵壓電極分別為源極和漏極，底部電極為柵極，通過(guò)控制源極、漏極和柵極的電壓調(diào)制入射光。

3、更優(yōu)的方案是，所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的臂寬是影響調(diào)制深度的主要因素，所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的臂寬w為5-40nm。進(jìn)一步優(yōu)化所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的寬度dx為40-150nm，高度dy為40-150nm。

4、石墨烯層放置在光場(chǎng)最強(qiáng)的位置，可以進(jìn)一步提高光和石墨烯的相互作用。

5、所述石墨烯層還可以采用其他寬帶狄拉克半金屬型二維材料替代，即所述石墨烯層可采用其他如有帶隙的過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷等替代。

6、所述石墨烯層采用單層、雙層或者多層設(shè)計(jì)。增加多層可以提高調(diào)制性能。

7、所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)采用等離激元材料，所述等離激元材料包括貴金屬材料或者鋁。

8、所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)內(nèi)部采用較低折射率的絕緣介質(zhì)/氧化物填充，包括空氣、多孔二氧化硅等。

9、所述介質(zhì)間隔層采用絕緣氧化物；所述介質(zhì)間隔層采用氧化鋁。

10、所述柵壓電極采用金電極，基底采用銀層，底部電極采用銀電極。

11、本發(fā)明提出一種光通信芯片，該芯片通過(guò)所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器來(lái)調(diào)制光信號(hào)。

12、有益效果：相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明為了進(jìn)一步提高光和石墨烯的相互作用，除了要把石墨烯放置在光場(chǎng)最強(qiáng)的位置之外，更重要的是要使光的偏振符合石墨烯的表面電導(dǎo)平面。本發(fā)明通過(guò)將開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與金屬波導(dǎo)相結(jié)合，提出了類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)，并通過(guò)類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)和金屬平板波導(dǎo)中間間隔介質(zhì)絕緣層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了石墨烯與光之間的相互作用。本發(fā)明所提出的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)在類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的開口端面和介質(zhì)間隔層靠近石墨烯層的界面處激發(fā)雜化表面等離激元，同時(shí)巧妙結(jié)合類開口諧振環(huán)的環(huán)形電流，顯著提高了石墨烯的表面電導(dǎo)平面的面內(nèi)分量，增強(qiáng)了石墨烯與光之間的相互作用。通過(guò)增強(qiáng)石墨烯與光之間的相互作用，提高了基于石墨烯材料的調(diào)制器的開關(guān)比、帶寬以及各項(xiàng)調(diào)制性能。

13、本發(fā)明所提出的復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用雜化表面等離激元的強(qiáng)光場(chǎng)束縛能力，將光場(chǎng)限制在極小的空間范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的光場(chǎng)約束。傳統(tǒng)的金屬等離激元波導(dǎo)由于金屬的歐姆損耗，傳輸損耗較高，限制了其在長(zhǎng)距離傳輸和大規(guī)模集成光子系統(tǒng)中的應(yīng)用，而本發(fā)明提出的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過(guò)將介質(zhì)波導(dǎo)模式與表面等離激元模式耦合，在一定程度上降低了傳輸損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)距離的光傳輸，使其更適用于實(shí)際的光通信和集成光學(xué)系統(tǒng)。具有雜化表面等離激元對(duì)光的偏振態(tài)具有選擇性，只允許特定偏振方向的光傳播，通過(guò)使用高質(zhì)量的偏振片來(lái)確保入射光具有特定且穩(wěn)定的偏振方向，這種特性可以有效調(diào)控偏振，在光信號(hào)處理和光學(xué)傳感等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

14、本發(fā)明所提出的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，在800-1650nm的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了調(diào)制深度(超過(guò)20db/μm)，覆蓋了整個(gè)通信頻段，表現(xiàn)出了優(yōu)異的調(diào)制性能，展示了一種基于特殊混合等離子體波導(dǎo)的石墨烯光調(diào)制器的設(shè)計(jì)，在1310nm波長(zhǎng)處，調(diào)制器的調(diào)制深度為20.46db/μm，并可通過(guò)可調(diào)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。其插入損耗僅為0.248db/μm，3db調(diào)制帶寬為200ghz，能耗僅為0.43fj/bit。在850nm處，調(diào)制深度達(dá)到了驚人的33.9db/μm，在更短的通信波長(zhǎng)下表現(xiàn)出卓越的性能，占用空間更小。與其他單層石墨烯光調(diào)制器相比，本發(fā)明不僅表現(xiàn)出出色的調(diào)制能力，還具有工作帶寬寬(從可見光到紅外光)、調(diào)制速率快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。這對(duì)石墨烯等離子體調(diào)制器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有重要意義，為下一代光電器件的小型化和高集成化提供了可行的解決方案。

技術(shù)特征：

1.一種基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：光調(diào)制器包括從上至下的類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)、石墨烯層、介質(zhì)間隔層、基底和底部電極，所述石墨烯層上方、類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)柵壓電極；所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)為金屬波導(dǎo)，所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的截面為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的開口端與石墨烯層接觸；所述介質(zhì)間隔層厚度h為5-50nm；待調(diào)制的輸入光垂直于該截面入射，使用電場(chǎng)偏振方向水平或者磁場(chǎng)偏振方向沿傳播方向的光場(chǎng)激發(fā)，在類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的開口端面和介質(zhì)間隔層靠近石墨烯層的界面處激發(fā)雜化表面等離激元；兩側(cè)柵壓電極分別為源極和漏極，底部電極為柵極，通過(guò)控制源極、漏極和柵極的電壓調(diào)制入射光。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的寬度dx為40-150nm，高度dy為40-150nm，臂寬w為5-40nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述石墨烯層放置在光場(chǎng)最強(qiáng)的位置。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述石墨烯層采用其他寬帶狄拉克半金屬型二維材料替代，所述寬帶狄拉克半金屬型二維材料包括有帶隙的過(guò)渡金屬硫族化合物、黑磷。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述石墨烯層采用單層、雙層或者多層設(shè)計(jì)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)采用等離激元材料，所述等離激元材料包括貴金屬材料或者鋁。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)內(nèi)部采用較低折射率的絕緣介質(zhì)填充，絕緣介質(zhì)包括空氣、多孔二氧化硅。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述介質(zhì)間隔層采用絕緣氧化物；所述介質(zhì)間隔層采用氧化鋁。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，其特征在于：所述柵壓電極采用金電極，基底采用銀層，底部電極采用銀電極。

10.一種光通信芯片，其特征在于：該芯片通過(guò)如權(quán)利要求1所述的基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器來(lái)調(diào)制光信號(hào)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雜化表面等離激元的石墨烯光調(diào)制器，包括從上至下的類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)、石墨烯層、介質(zhì)間隔層、基底和底部電極，類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)柵壓電極；所述類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的截面為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；所述開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的開口端與石墨烯層接觸；所述介質(zhì)間隔層厚度為5?50nm；所述兩側(cè)柵壓電極分別為源極和漏極，底部電極為柵極，通過(guò)控制源極、漏極和柵極的電壓調(diào)制入射光；待調(diào)制的輸入光垂直于該截面入射，在類開口諧振環(huán)條形波導(dǎo)的開口端面和介質(zhì)間隔層靠近石墨烯層的界面處激發(fā)雜化表面等離激元。本發(fā)明提高了基于石墨烯材料的調(diào)制器的開關(guān)比、帶寬以及各項(xiàng)調(diào)制性能。

技術(shù)研發(fā)人員：王雨淋,李智航,黃成平,侯安樂(lè),耿飛虎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10