基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器

技术领域

本发明属于电磁波调制器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器。

背景技术

信息技术是各个国家各行各业发展的重要基础。信息技术的发展水平影响着我国产业的变革、科技的进步，也是我国在国际上的综合地位提高的具体表现。从全球范围来看，为了抢占信息技术发展带来的优势地位促进国家经济发展，信息技术已经成为各个国家重点投资发展的对象。近些年来，传统的电互连技术受限于高传输损耗、低传输带宽以及大体积等缺点，已逐渐不能适应网络通信呈指数增长趋势的数据量。为了提升通信系统的传输带宽、降低传输损耗，光互连技术被提出并被逐渐发展起来。目前，光学调制器作为光互连技术的关键组成之一，已经在国内外欣起了研究的热潮。

石墨烯(Graphene)是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维材料，其独特的晶体结构赋予石墨烯非凡的电子，光学，热学和机械性能，被认为是从太赫兹到中红外光谱区域最有希望的等离子体激元材料之一。此外，石墨烯电导率可以通过静电门控或化学掺杂的方式进行调节，从而改变石墨烯的材料性质，因此使得基于石墨烯的调制器成为可能。目前，国内外已经研究了许多基于石墨烯的光学器件，包括光电探测器，超快激光器，偏振控制器，转换光学器件及等离子体激元波导调制器等。例如，2011年LiuM等人发表在Nature上的论文(LiuM,YinX,Ulin-AvilaE,GengB,ZentgrafT,JuL,etal.Agraphene-basedbroadband opticalmodulator.Nature,474:64–7,2011)提出了一种基于石墨烯的集成硅波导光学调制器，实现了0.1dB/μm的调制深度；2021年，叶龙芳等人发表在Nanoscale上的论文(L.Ye,K.Sui,Y.Zhang,andQ.H.Liu,Broadbandopticalwaveguidemodulatorsbasedonstronglycoupled hybridgrapheneandmetalnanoribbonsfornear-infraredapplications,Nanoscale,11:3229-3239,2019.)，表明将石墨烯放置于波导结构中场强最大处可实现高调制深度的波导调制器，可以实现3.12dB/μm调制深度。然而，在太赫兹波段的光学调制器研究较少，且调制效果不够理想。例如，在2015年，AndreaLocatelli在IEEETRANSACTIONSONTERAHERTZ SCIENCEANDTECHNOLOGY上发表一种在工作在1THz的调制器，其调制效率为43％；而2017年，MartinMittendorff等人发表在ACSPhotonics上的文章表明将石墨烯整合在波导的中心，调制效率提升到50％。目前光学调制器的调制深度的增加主要是以增大插入损耗和加大石墨烯的驱动电压为代价，但是随着通信技术的飞速发展，一种具有低插入损耗、高调制深度且能够兼容CMOS工艺平台的光学调制器的需求极为迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，本发明通过将石墨烯放置于波导层狭缝中央，在波导的狭缝之间的太赫兹波具有较强的束缚增强能力，且其电场方向与石墨烯方向平行可以实现极化匹配，从而提升器件太赫兹波与石墨烯的互作用；通过偏置层施加偏压改变石墨烯的化学势改变石墨烯的电导率，进而改变波导的传播损耗和传播距离，实现对电磁波调制深度的调节作用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，从上至下依次包括第一介质层1-1和第一介质层1-2、第二介质层2、基底3，所述第一介质层1-1、第一介质层1-2分别内置第三介质层4-1、第三介质层4-2，并分别构成介质狭缝波导，所述第一介质层1-1和第一介质层1-2之间设有石墨烯层5-1和石墨烯层5-2。

第一介质层1-1和第三介质层4-1之间、第一介质层1-2和第三介质层4-2介质之间分别构成介质狭缝波导，在其狭缝之中具有电场束缚增强的作用。

在本发明一优选实施方案中，所述石墨烯层5-1和石墨烯层5-2之间设有第五介质层6。

进一步的，所述第五介质层6材质为为氮化硼、二氧化硅、三氧化二铝等材料。

在本发明一优选实施方案中，所述第一介质层1-1和第一介质层1-2、第三介质层4-1和第三介质层4-2为对称结构。

在本发明一优选实施方案中，所述第一介质层1-1、第一介质层1-2、第二介质层2、第五介质层6可采用介电常数为2-3的绝缘材料，优选氮化硼和二氧化硅。

在本发明一优选实施方案中，所述第三介质层4-1和第三介质层4-2以及基底3可选用介电常数为10-15的绝缘材料，优选硅。

在本发明一优选实施方案中，所述第一介质层1-1和第一介质层1-2的厚度为1.5-2.5μm，宽度为25-35μm。

在本发明一优选实施方案中，所述第二介质层2的厚度为70-90μm，宽度为250-350μm。

在本发明一优选实施方案中，所述第三介质层4-1和第三介质层4-2的宽度和厚度为60-80μm。

在本发明一优选实施方案中，所述第五介质层6的厚度为1.5-2.5μm。

在本发明一优选实施方案中，所述基底3的宽度为250-350μm，厚度为15-25μm。

石墨烯是二维材料，宽度要适合模型的尺寸，与中间介质宽度相等。可在石墨烯层上方添加一层偏压层，易于施加偏置电压，方便对整片单层石墨烯化学势的灵活调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明大部分电场都被束缚在介质狭缝之中，能够实现对太赫兹电磁波的高束缚传输能够实现对太赫兹电磁波的高束缚传输；

2.本发明不仅调制深度可调，同时还可实现在太赫兹的低损耗长距离传播的波导；

3.本发明利用石墨烯的电可调性，能够在不改变波导几何结构的情况下实现极高调制深度；

4.本发明可在石墨烯层上方添加一层偏压层，易于施加偏置电压，方便对整片单层石墨烯化学势的灵活调控；

5.本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换能够用于近红外、远红外、可见光或其它频段的电磁的传输与调控。

附图说明

图1是本发明基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器示意图，

其中，1-1-第一介质层、1-2-第一介质层1-2、2-第二介质层、3-基底、4-1-第三介质层、4-2-第三介质层、5-1-石墨烯层5-1、5-2-石墨烯层、6-第五介质层；

图2是本发明基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器在1THz、化学势为0.18eV条件下的基模场图；

图3是本发明基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器在1THz的频率下0.1～0.18eV不同化学势的传播损耗曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，从上至下依次包括第一介质层1-1和第一介质层1-2、第二介质层2、基底3，所述第一介质层1-1、第一介质层1-2分别内置第三介质层4-1、第三介质层4-2，并分别构成介质狭缝波导，所述第一介质层1-1和第一介质层1-2之间设有石墨烯层5-1和石墨烯层5-2。

所述石墨烯层5-1和石墨烯层5-2之间设有第五介质层6。

所述第五介质层6材质为为氮化硼、二氧化硅、三氧化二铝等材料。

所述第一介质层1-1和第一介质层1-2、第三介质层4-1和第三介质层4-2为对称结构。

所述第一介质层1-1、第一介质层1-2、第二介质层2、第五介质层6可采用介电常数为2-3的绝缘材料，优选氮化硼和二氧化硅。

所述第三介质层4-1和第三介质层4-2以及基底3可选用介电常数为10-15的绝缘材料，优选硅。

所述第一介质层1-1和第一介质层1-2的厚度为1.5-2.5μm，宽度为25-35μm。

所述第二介质层2的厚度为70-90μm，宽度为250-350μm。

所述第三介质层4-1和第三介质层4-2的宽度和厚度为60-80μm。

所述第五介质层6的厚度为1.5-2.5μm。

所述基底3的宽度为250-350μm，厚度为15-25μm。

实施例

一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，如图1所示，由三层结构构成，从上至下依次包括第一介质层1-1和第一介质层1-2、第二介质层2、基底3；第一介质层1-1、第一介质层1-2分别内置第三介质层4-1、第三介质层4-2，并分别构成介质狭缝波导；第一介质层1-1和第一介质层1-2之间设有石墨烯层5-1和石墨烯层5-2。第一介质层1-1和第三介质层4-1之间、第一介质层1-2和第三介质层4-2介质之间分别构成的介质狭缝波导，在其狭缝之中具有电场束缚增强的作用。石墨烯层5-1和石墨烯层5-2之间设有第五介质层6。第一介质层1-1和第一介质层1-2、第三介质层4-1和第三介质层4-2为对称结构；第一介质层1-1、第一介质层1-2、第二介质层2、第五介质层6的材质为氮化硼；第三介质层4-1和第三介质层4-2以及基底3材质为硅。第一介质1-1和第一介质层1-2两头开口，分别将第三介质层4-1和第三介质层4-2包裹一周，两头露出。第一介质层1-1和第一介质层1-2的厚度为2μm；第二介质层2的厚度80μm，宽度300μm；第三介质层4-1和第三介质层4-2的宽度和厚度70μm；第五介质层6的厚度为2μm；基底3的宽度为300μm，厚度为20μm。

在1THz频率下，石墨烯化学势E

上述实施例仅是本发明的优化实施方法，用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。应当指出，对于任何熟习此项技艺的人士在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改，些修改也应视为本发明的保护范畴。