基于石墨烯的可调光致透明波导结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于石墨烯的可调光致透明波导结构，至少包括：石墨烯波导、第一石墨烯带及第二石墨烯带；第一石墨烯带及第二石墨烯带位于石墨烯波导的同一侧，且均平行于石墨烯波导；第一石墨烯带与石墨烯波导具有第一预设间距，第二石墨烯带与石墨烯波导具有第二预设间距。本发明通过采用了石墨烯波导结构，并在所述石墨烯波导同一侧设置具有预设间距的第一石墨烯带及第二石墨烯带，相对于金属结构，其能够通过调整所述第一石墨烯带及所述第二石墨烯带的费米能级动态调制光致透明的频率范围；相对于其他类型的平面结构，本发明的波导结构尺寸更小，更易于制作和集成；同时在本发明的结构中，能够同时实现对称和非对称的光致透明窗口。
【专利说明】
基于石墨烯的可调光致透明波导结构
技术领域
[0001] 本发明属于光学器件领域，特别是涉及一种基于石墨烯的可调光致透明波导结 构。
【背景技术】
[0002] 光致透明是一种量子干涉效应，由于不同跃迀路径的干涉效应，使得在原子体系 吸收谱上出现一个透明窗口。光致透明在慢光、增强非线性、光型号处理以及光开关方面有 着许多应用，然而量子体系的光致透明由于需要极端条件而难以实现。因此人们逐渐关注 在经典光学体系实现这种效应。目前实现光致透明的方案包括基于金属的平面特异材料结 构和金属-绝缘体-金属的波导结构。对于这些金属结构，一旦制作好对它的频率调控就 比较困难，因此这类结构工作波段固定，可调性较差。
[0003] 石墨烯是一种碳原子按六角晶格排布的二维材料。石墨烯的光学特征能够通过改 变它的费米能级来动态调制。因此石墨烯是制作可调光学器件的理想材料。同时石墨烯还 能够在很宽的频谱范围内（太赫兹到红外）支持表面等离激元，有利于器件小型化。在石 墨烯的平面结构中，人们已经可以实现动态可调的光致透明，然而这种结构由于需要垂直 入射条件，因此器件尺寸会比较大，不利于光路集成；而且这类结构需要将石墨烯刻成周期 性图案，制造上也存在难度。
[0004] 因此，研制出尺寸更小、易于集成和制作的光致透明器件今后发展集成光路的重 要和有意义的工作。
【发明内容】
[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的可调光 致透明波导结构，用于解决现有技术中光致透明器件存在的尺寸较大、制作工艺难度大、可 调性差的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯的可调光致透明波 导结构，所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构至少包括：石墨烯波导、第一石墨烯带及 第二石墨烯带；其中，所述第一石墨烯带及所述第二石墨烯带位于所述石墨烯波导的同一 侧，且均平行于所述石墨烯波导；所述第一石墨烯带与所述石墨烯波导具有第一预设间距， 所述第二石墨烯带与所述石墨烯波导具有第二预设间距。
[0007] 优选地，所述第一石墨烯带的形状和尺寸与所述第二石墨烯带的形状和尺寸相 同。
[0008] 优选地，所述第一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度小于所述石墨稀波导的宽 度。
[0009] 优选地，所述第一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度为200nm~300nm。
[0010] 优选地，所述第一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度为250nm。
[0011] 优选地，所述第一预设间距为150nm~250nm，所述第二预设间距为500nm~ 600nm〇
[0012] 优选的，所述第一预设间距为200nm，所述第二预设间距为550nm。
[0013] 优选地，所述第一石墨稀带的中心及所述第二石墨稀带的中心在所述石墨稀波导 上的投影与所述石墨烯波导的中心相重合。
[0014] 优选地，还包括介质层，所述石墨稀波导、所述第一石墨稀带及所述第二石墨稀带 完全埋入在所述介质层内。
[0015] 优选地，所述介质层为二氧化硅层。
[0016] 如上所述，本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，具有以下有益效果：本 发明通过采用了石墨烯波导结构，并在所述石墨烯波导同一侧设置具有预设间距的第一石 墨烯带及第二石墨烯带，相对于金属结构，其能够通过调整所述第一石墨烯带及所述第二 石墨烯带的费米能级动态调制光致透明的频率范围；相对于其他类型的平面结构，本发明 的波导结构尺寸更小，更易于制作和集成；同时在本发明的结构中，能够同时实现对称和非 对称的光致透明窗口。
【附图说明】
[0017] 图1显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构的三维结构示意图。
[0018] 图2显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构的正视图。
[0019] 图3显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构在石墨烯波导的费米 能级为140meV，第一石墨稀带及第二石墨稀带的费米能级为160emV条件下的透射谱。
[0020] 图4显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构随第一石墨烯带及第 二石墨烯带的费米能级变化的透射谱。
[0021] 图5显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构的随第一石墨烯带及 第二石墨烯带的费米能级变化的透明窗口的透射峰频率。
[0022] 图6显示为本发明的基于石墨烯的可调光致透明波导结构在第一石墨烯带费米 能级为160emV固定不变的条件下，随第二石墨稀带费米能级变化的透射谱。
[0023] 元件标号说明
[0024] 1 石墨烯波导
[0025] 2 第一一石墨烯带
[0026] 3 第二石墨烯带
[0027] 4 介质层
[0028] 山第一预设间距
[0029] d2第二预设间距
【具体实施方式】
[0030] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明 书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0031] 请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用 以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可 实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调 整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技 术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如"上"、"下"、"左"、"右"、"中间"及 "一"等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的 改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0032] 如图1至图2所示，本发明提供一种基于石墨烯的可调光致透明波导结构，所述基 于石墨烯的可调光致透明波导结构至少包括：石墨烯波导1、第一石墨烯带2及第二石墨烯 带3 ;其中，所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3位于所述石墨烯波导1的同一侧， 且均平行于所述石墨烯波导1 ;所述第一石墨烯带2与所述石墨烯波导1具有第一预设间 距，所述第二石墨烯带3与所述石墨烯波导1具有第二预设间距。
[0033] 具体的，所述石墨烯波导1能够支持表面等离激元的传播，所述石墨烯波导1包括 一上表面及以下表面；所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3可以均位于所述石墨烯 波导1上表面的上方，也可以均位于所述石墨烯波导1下表面的下方；在一实施例中，所述 第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3均位于所述石墨烯波导1上表面的上方。
[0034] 具体的，所述第一石墨烯带2的形状和尺寸与所述第二石墨烯带3的形状和尺寸 相同。在本实施例中，所述石墨稀波导1、所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3为二 维结构，所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3的宽度（沿X轴方向的尺寸）小于所 述石墨烯波导1的宽度（沿X轴方向的尺寸），所述第一石墨烯带2的长度（沿Z轴方向的 尺寸）、所述第二石墨烯带3的长度（沿Z轴方向的尺寸）及所述石墨烯波导1的长度（沿 Z轴方向的尺寸）则可以根据实际需要设定所需的尺寸，甚至无限延伸。
[0035] 具体的，所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3的宽度为200nm~300nm ;更 为具体的，所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3的宽度为250nm。
[0036] 具体的，所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3上下对应地分布于所述石墨 稀波导1的同一侧，即所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3在所述石墨稀波导1上 的投影完全重合。所述第一石墨烯带2距离所述石墨烯波导1的第一预设间距为150nm~ 250nm，所述第二石墨稀带3距离所述石墨稀波导1的第二预设间距为500nm~600nm ;优 选地，本实施例中，所述第一石墨稀带2距离所述石墨稀波导1的第一预设间距为200nm，所 述第二石墨稀带3距离所述石墨稀波导1的第二预设间距为550nm ;即所述第一石墨稀带2 距离所述石墨烯波导1较近，而所述第二石墨烯带3距离所述石墨烯波导1较远，距离所述 石墨烯波导1较近的所述第一石墨烯带2能够直接和在所述石墨烯波导1上的表面波发生 相互作用，因此扮演明态，距离所述石墨烯波导1较远的所述第二石墨烯带3能够与所述第 一石墨烯带2耦合，但不能与所述石墨烯波导1上的表面波发生相互作用，因此扮演暗态。
[0037] 具体的，所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3位于所述石墨稀波导1中心 的上方，即所述第一石墨稀带2的中心及所述第二石墨稀带3的中心在所述石墨稀波导1 上的投影与所述石墨烯波导1的中心相重合。
[0038] 具体的，所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构还包括一介质层4,所述石墨烯 波，1、所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3完全埋入在所述介质层4内。优选地，本 实施例中，所述介质层4为二氧化硅层；更为优选地，所述二氧化硅层为折射率为2. 25的二 氧化硅层。
[0039] 本发明的工作原理如下：
[0040] 本发明提出的基于石墨烯的可调光致透明波导结构中位于底部的所述石墨烯波 导1能够支持表面等离激元的传播，由所述石墨烯波导1左端入射的表面模式在所述石墨 烯波导1中传播过程中会与位置较低的所述第一石墨烯带2上的局域表面等离激元模式发 生耦合，同时所述第一石墨烯带2上的局域表面等离激元由于近场耦合作用而激发较高位 置的所述第二石墨烯带3的局域表面等离激元，因而会形成光致透明现象。当我们改变施 加在所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3上的电压时，石墨烯带的光学性质会改变， 其所支持的局域表面等离激元的频率也会发生移动，导致了光致透明窗口的动态调制。当 上下施加在所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3上的电压始终相同时，二者所支持 的局域表面等离激元的共振频率相同，光致透明窗口时对称的线型；而施加电压不相同时， 能够实现非对称线型的光致透明窗口。
[0041] 在一实施例中，所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3的宽度为250nm，所述 第一石墨稀带2距离所述石墨稀波导1的第一预设间距为200nm，所述第二石墨稀带3距离 所述石墨稀波导1的第二预设间距为550nm。当TM偏振的石墨稀波导表面等离激元由所述 石墨烯波导1的一端入射，在经过石墨烯带共振区域（即所述第一石墨烯带2及所述第二 石墨烯带3与所述石墨烯波导1上下重合的区域）时与所述石墨烯带发生相互作用，最后 在所述石墨烯波导1的另一端出射。
[0042] 在所述石墨烯波导1的费米能级为140emV，所述第一石墨烯带2及所述第二石墨 烯带3的费米能级均为160emV时，所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构的透射谱如图 3所示，其中，所述透射谱为所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构中包括两个所述石墨 烯带的透射能流与所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构中不包括两个所述石墨烯带 的透射能流的比值。由图3可知，在所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构的透射谱上 存在一个光致透明窗口，所述光致透明窗口包括两个透射谷和一个透射峰，所述两个透射 谷频率分别为10. 2THz和10. 8THz，所述透射峰频率为10. 45THz。在两个所述透射谷处，所 述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3均被强烈激发，而在所述透射峰处，只有暗态的所 述第二石墨烯带3被激发，这正是由于明态和暗态的干涉效应所造成的光致透明效果。
[0043] 本发明的光致透明窗口可以通过调节所述第一石墨烯带2及所述第二石墨烯带3 的费米能级来动态控制。具体的控制方法有两种：（1)所述第一石墨烯带2及所述第二石 墨烯带3的费米能级保持相同并同时改变；（2)改变所述第二石墨烯带3的费米能级，所述 第一石墨烯带2的费米能级保持不变。
[0044] 使用第一种控制方法进行所述光致透明窗口进行动态调制时，所述基于石墨烯的 可调光致透明波导结构的透射谱随所述第一石墨烯带2及所述石墨烯带3的费米能级的变 化如图4所示，其中，#1曲线对应的所述第一石墨烯带2及所述石墨烯带3的费米能级均为 145emV，#2曲线所对应的所述第一石墨稀带2及所述石墨稀带3的费米能级均为160emV， #3曲线所对应的所述第一石墨稀带2及所述石墨稀带3的费米能级均为175emV。由图4 可知，随着所述第一石墨烯带2及所述石墨烯带3费米能级能级变大，所述光致透明窗口向 高频区域动态移动。
[0045] 所述光致透明窗口透射峰频率随石墨烯带费米能级的变化如图5所示，由图5可 知，当所述第一石墨稀带2及所述石墨稀带3费米能级从145meV调制到300meV时，所述透 射峰移动4. 6THz。我们可以通过模式耦合模型来理解透射峰的行为，对于所述第一石墨烯 带2及所述第二石墨烯带3的共振频率满月
其中EF为石墨烯带的费米能级， W为石墨稀带宽度。在第一种控制方法中，由于所述第一石墨稀带2及所述第二石墨稀带3 的几何参数和费米能级完全相同，因此明态共振频率和暗态共振频率ω d。根据模式耦 合理论，当没有吸收时，在石墨烯波导上传播的表面模式透过率为：
[0046]
[0047] 其中ω为入射表面等离激元频率，klb为入射表面模式和明态的耦合系数，k bd为 明态和暗态的耦合系数。在共振条件下即ω = 〇^时，透射率最大，因此透射峰位置由暗态 决定。因此透射窗口峰值频率满5
=图5表明数值模拟结果（#5曲线） 与理论值符合（#4曲线）的很好，根据数值模拟结果我们可以得到在所述基于石墨烯的可 调光致透明波导结构中A = 0· 825Χ 1012(meV) 1/2S、
[0048] 使用第二种方法对所述光致透明窗口进行动态调制时，当所述第一石墨烯带2的 费米能级固定为160emV时，所述基于石墨烯的可调光致透明波导结构的透射谱随所述第 二石墨烯带3的费米能级的变化如图6所示，其中，#6曲线对应的所述第二石墨烯带3的 费米能级为145emV，#7曲线对应的所述第二石墨稀带3的费米能级为155emV，#7曲线对应 的所述第二石墨烯带3的费米能级为165emV，#8曲线对应的所述第二石墨烯带3的费米能 级为175emV。由图6可知，所述光致透明窗口会随着所述第二石墨烯带3的费米能级的增 大而蓝移。然而，由于所述第一石墨烯带2与所述第二石墨烯带3的费米能级不同，导致明 态和暗态的共振频率不同，因此，图6中的所述光致透明窗口相对于图4中的所述光致透明 窗口很不对称，并且，当所述第一石墨烯带2与所述第二石墨烯带3的费米能级相差越大， 即明态与暗态的共振频率相差越大，所述光致窗口越不对称。
[0049] 综上所述，本发明通过采用了石墨烯波导结构，并在所述石墨烯波导同一侧设置 具有预设间距的第一石墨烯带及第二石墨烯带，相对于金属结构，其能够通过调整所述第 一石墨烯带及所述第二石墨烯带的费米能级动态调制光致透明的频率范围；相对于其他类 型的平面结构，本发明的波导结构尺寸更小，更易于制作和集成；同时在本发明的结构中， 能够同时实现对称和非对称的光致透明窗口。
[0050] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于，至少包括：石墨烯波导、第 一石墨烯带及第二石墨烯带；其中， 所述第一石墨烯带及所述第二石墨烯带位于所述石墨烯波导的同一侧，且均平行于所 述石墨烯波导；所述第一石墨烯带与所述石墨烯波导具有第一预设间距，所述第二石墨烯 带与所述石墨烯波导具有第二预设间距。2. 根据权利要求1所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一石墨烯带的形状和尺寸与所述第二石墨烯带的形状和尺寸相同。3. 根据权利要求2所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度小于所述石墨稀波导的宽度。4. 根据权利要求3所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度为200nm~300nm。5. 根据权利要求4所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一石墨稀带及所述第二石墨稀带的宽度为250nm。6. 根据权利要求1所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一预设间距为150nm~250nm，所述第二预设间距为500nm~600nm〇7. 根据权利要求6所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一预设间距为200nm，所述第二预设间距为550nm。8. 根据权利要求1所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述第 一石墨稀带的中心及所述第二石墨稀带的中心在所述石墨稀波导上的投影与所述石墨稀 波导的中心相重合。9. 根据权利要求1所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：还包括 介质层，所述石墨烯波导、所述第一石墨烯带及所述第二石墨烯带完全埋入在所述介质层 内。10. 根据权利要求9所述的基于石墨烯的可调光致透明波导结构，其特征在于：所述介 质层为二氧化硅层。
【文档编号】G02F1/01GK106033153SQ201510116915
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月17日
【发明人】蒋寻涯, 王林, 李伟
【申请人】复旦大学, 中国科学院上海微系统与信息技术研究所