一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器

一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，可用于马赫曾德尔干涉仪或者环形谐振器中，实现光开关、分束、滤波、选波等功能，属于光子集成领域。
(二)

背景技术：

2.相位调制器是光子集成系统中调制高速光信号的关键部件，引导电磁波的有效操纵具有重要意义。而波导是一种低损耗传输介质，可以将电磁波限制在封闭空间内，具有体积小、易于集成的优点。因此，常采用相对介电常数大的硅波导来制作相位调制器。
3.现有多种调制相位的方法。基于铌酸锂的电光调制器在技术上尺寸较大，驱动电压相对较高；基于等离子体色散效应的硅调制器伴随的啁啾和有限的消光比恶化了其性能；基于热光效应的调制器调制速度慢、成本高、可重复性差；基于非线性聚合物的混合等离子体波导调制器工作不稳定性和且不能cmos技术的兼容性。
4.为解决上述问题，近些年开始使用二维材料来实现调制目标，例如石墨烯、二氧化钒、狄拉克半金属等等新型带隙可调材料。其中石墨烯具有高导电率、高调制效率、宽带宽和可调谐光吸收等优良的光学性能。可通过施加驱动电压主动调节费米能级，可以调节石墨烯的复介电常数。然而，单原子厚度的石墨烯与垂直入射光的相互作用很弱(仅仅是～2.3％的吸收)，这限制了它在光调制器中的应用。
5.与此同时，超表面是一种人工微结构单元阵列，通过改变单元的几何结构和尺寸，可以提供强大的操纵电磁波的能力。然而，大多数超材料都是在自由空间中模拟、评估和工作的，在实际使用中，自由空间中损耗很难控制。尝试将超表面和波导相互结合，波导可以避免自由空间的散射，超表面可以缩短调制长度。中国专利：201910357092.1公开了一种硅基人工微结构超表面波导耦合器，使垂直入射的光耦合进入波导中，虽然实现了0-2π的相位延迟，但是并不能调控波导内传输的光场；中国专利：201711334825.7公开了一种基于超表面的芯片激光雷达位相调控的波导结构，虽然实现了大角度的相位调控，但并不是动态可调。
6.本发明公开了一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器。可用于信号调制，结合马赫曾德尔干涉仪或者微环谐振器实现光开关、滤波、选波等功能，可广泛应用于微纳光子器件集成领域。它结合了石墨烯带隙可调的特点和超表面强大的电磁波操控能力，从而实现了大角度的相位调制，与铌酸锂相位调制器相比减小了能耗，与电光石墨烯相位调制器相比缩短了工作距离，与热光相位调制器相比提高了稳定性和可重复性，等离子体相位调制器相比能与现有cmos加工工艺相结合。
(三)

技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、调制幅度大、低能耗、稳定性高、能与现有cmos加工工艺相结合的结合石墨烯和超表面的波导相位动态调制器。
8.本发明的目的是这样实现的：
9.该基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，其特点是：它由i硅波导、ⅱ人工微结构金属单元构成的超表面、iii双层石墨烯组成；双层石墨烯通过绝缘材料六方氮化硼隔开；通过在连接于石墨烯上的金属电极上施加电压，双层石墨烯构成电容，保证石墨烯各点电压一致，进而改变石墨烯的费米能级，影响金属结构单元对于光场的作用；信号光源从波导一端入射，经过石墨烯覆盖区域后，从另一侧的端口出射，实现对输出信号的相位调控。
10.其中调制过程涉及位相传输原理：
[0011][0012]
本发明所述的有益效果：
[0013]
1.本发明将波导和超表面进行了有效的结合，利用金属开口环是透射谱产生了直观的吸收峰。
[0014]
2.本发明在调节石墨烯的费米能级从0.4ev到1ev变化时，可以实现相位360
°
的变化，实现相位调制功能。
[0015]
3.本发明1550nm下在调节石墨烯的费米能级从0.4ev到1ev变化时，可以实现透射率从0.08到0.71的变化，实现强度调制功能。
[0016]
4.本发明在调节石墨烯的费米能级从0.4ev到1ev变化时，可以实现吸收峰超过50nm的漂移，实现选波功能。
(四)附图说明
[0017]
图1是本发明的结构示意图。上面的单元结构数量可以根据使用需要进行增加和减少。i是硅波导，横截面为2μm
×
1μm,长度是4～10μm，ⅱ是金开口环，iii是双层石墨烯和六方氮化硼构成的石墨烯电容。
[0018]
图2是本发明的结构示意图的侧抛图。1是硅波导，2是金开口环，3是石墨烯，4是六方氮化硼。
[0019]
图3是本发明的结构示意图的俯视图。金属单元之间的间距dx在 100～500nm之间，狭缝s小于50nm，ro和ri分别是金属开口环的外环半径和内环半径，在100～300nm之间。
[0020]
图4是相位随石墨烯费米能级变化。
[0021]
图5是吸收峰随石墨烯费米能级变化。
[0022]
图6是1550nm下的透射率随石墨烯费米能级变化。
(五)具体实施方式
[0023]
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
[0024]
图1、图2所示，本发明提出的基于石墨烯的超构波导相位动态调制器。该器件由i硅波导、ⅱ人工微结构金属单元构成的超表面、iii双层石墨烯组成；双层石墨烯通过绝缘材料六方氮化硼隔开；通过在金属电极上施加电压，双层石墨烯构成电容，保证石墨烯各点电压一致，进而改变石墨烯的费米能级，影响金属结构单元对于光场的作用；信号光源从波导一端入射，在经过相位调制结构——金属结构和石墨烯后，从另一侧的端口出射，实现对输出信号的相位调控。
[0025]
作为实施例，具体尺寸如下：波导的横截面中宽为480nm，高为0.35nm，金属单元的厚度为40nm，六方氮化硼为10nm,金属单元的间隙dx为300nm，金属单元的外环半径ro为
190nm，内环半径ri为140nm,石墨烯覆盖长度为3.4 微米，波导上下表面各有五个金属单元，入射频率为180thz到210thz。
[0026]
石墨烯的费米能级从0变化到1ev，相位变化如图4所示，吸收峰移动如图5所示，1550nm下的透射率变化如图6所示。相位变化了40
°
，吸收峰移动了30nm，透射率变化了0.3。这只是五个单元可以实现的结果，若想实现更大360
°
，可以使用更多单元，比如大于30个单元。


技术特征：
1.一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，其特征是：它由硅波导在上下两个表面对称附着双层石墨烯和金属结构单元组成；双层石墨烯通过绝缘材料隔开，构成石墨烯电容，单层石墨烯的厚度为0.34nm，绝缘材料为10nm厚的六方氮化硼；金属结构单元为开口环，在垂直波导的传输方向挖了一条狭缝，使其分成了两个半圆。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，其特征在于其将波导和超表面进行了有效的结合，通过加在石墨烯电容上的电压，可以稳定地调节石墨烯的费米能级，从而调控波导内的光场。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，其特征是：所述的信号光的波长范围是1500-1600nm。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器，其特征是：石墨烯的电压从0.4ev变化到1ev，输出光的相位可以实现360
°
内的连续变化。

技术总结
本发明提供的是一种基于石墨烯的超构波导相位动态调制器。其特征是：它由Ⅰ硅波导、Ⅱ人工微结构金属单元构成的超表面、Ⅲ双层石墨烯电容组成；双层石墨烯通过绝缘材料六方氮化硼隔开；通过在金属电极上施加电压，双层石墨烯构成电容，保证石墨烯各点电压一致，进而改变石墨烯的费米能级，影响金属结构单元对于光场的作用；信号光源从波导一端入射，在经过相位调制结构——金属结构和石墨烯后，从另一侧的端口出射，实现对输出信号的相位调控。本发明可用于马赫曾德尔干涉仪或者环形谐振器，实现光开关、滤波、选波、分束等多种功能，可广泛应用于微纳光子器件集成领域。应用于微纳光子器件集成领域。应用于微纳光子器件集成领域。


技术研发人员：陈明 熊剑峰 徐捷 王天让 苑立波
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2021.12.26
技术公布日：2022/4/29