一种基于石墨烯混合等离激元波导的偏振分束器的制作方法

本实用新型属于亚波长光子学领域及集成光学领域，具体涉及一种工作于太赫兹波段的基于石墨烯混合等离激元波导的偏振分束器。

背景技术：

目前的偏振分束器的机构主要分为基于平面光栅，阵列波导光栅，光子晶体，马赫-曾德尔干涉仪，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见光及近红外波段有较好的集成度，尺寸小，透射率高，分束角大，消光比高等优点。但对于工作于太赫兹波段的偏振分束器，因波长较大，相对尺寸较大，不适应于高度集成器件的发展。

2008年，加州大学伯克利分校X.Zhang课题组提出了一种基于纳米线的混合等离激元波导，并成功的研制一款亚微米尺寸的激光器。到目前为止，已有研究提出混合等离激元的波导可以达到低于100nm的光场限制能力以及高达100μm量级的传输距离。但由于基于金属混合等离激元波导模式激发的偏振依赖性，大多波导的结构设计只可以传输TM混合等离激元波导模式，不能支持TE混合等离等离激元模式，并且在长波长情况下损耗大，对光的限制能力较弱，进而限制了在长波长情况下波导型偏振分束器的集成度及性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种输入波导能够同时支持TE及TM偏振态混合等离激元波导模式激发、能够分开两种偏振模式，达到分束的目的、并能在长波长工作情况下的高集成度的偏振分束器。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种基于石墨烯混合等离激元波导的偏振分束器，包括：SiO₂衬底以及位于衬底之上的两个平行放置的Graphene-SiO₂-Si混合等离激元波导；其中位于左侧的输入波导为单边凸型混合等离激元波导，位于右侧的耦合波导为普通混合等离激元条形波导。

所述输入波导的结构为Graphene-SiO₂-Si三层结构，Si部分为宽20nm、高20nm，顶面与左侧面依次堆叠5nm的SiO₂层以及Graphene层。

所述耦合波导由下至上由Si层、SiO₂层及Graphene层堆叠构成，波导宽度为25nm，Si部分高20nm，SiO₂高5nm。

所述输入波导与耦合波导之间的间距为5nm。

所述波导在30THz工作频率下耦合波导长度为340nm。

这种基于石墨烯混合等离激元波导的偏振分束器是由半凸型混合等离激元波导和普通条形混合激元波导组成。单边凸型混合等离激元波导可以同时支持偏振态混合等离激元波导模式的激发的传输，普通条形混合等离激元波导可以实现其中一种偏振态的耦合，从而实现分束。

由于石墨烯混合等离激元波导中的波导模式的波长要比光波波长小1～3个数量级，使得石墨烯混合等离激元波导相对于传统波导及金属混合等离激元波导的模式限制体积小了几个数量级。单边混合等离激元左侧和顶层的石墨烯(Graphene)-SiO₂-Si多层设计保证了对TE和TM偏振态同时的混合等离激元波导模式的激发和传输，因此通过采用石墨烯混合等离激元波导大大的缩小了输入波导的体积。

单边凸型混合等离激元波导由如下方式获得：由Graphene-SiO2-Si三层结构组成的倒U型混合等离激元波导切掉边角得到凸型混合等离激元波导，再进一步切去右侧Graphene-SiO₂得到；Si部分为宽20nm、高20nm，顶面与左侧面堆叠5nm左右的SiO₂层以及石墨烯层。耦合波导的普通混合等离激元条形波导由Si层、SiO₂层及Graphene层堆叠构成。波导宽度为25nm，Si部分高20nm，SiO₂高5nm左右。侧面的SiO₂的宽度的增加会使两种模式有效折射率的实部有相反的变化趋势。因此在通过减小侧面SiO₂的宽度不仅可以提高两种模式的耦合效率，而且可以减小波导的尺寸。

普通型混合等离子激元波导宽25nm。两波导中间距为5nm。在适当范围内，通过减小中间SiO₂的厚度会使有效折射率的实部和虚部同时增加，增加了波导的限制能力，从而减小波导的尺寸。

输入波导与耦合波导之间的间距为5nm，30THz工作频率下波导长度为340nm。

采用单边凸型混合等离激元波导与普通型混合等离激元波导相结合的方法，使得在长波长工作情况下，输入波导能够支持TE和TM模式的同时的混合等离激元波导模式的激发和传输，从而具有高集成度，限制能力强等优点的偏振分束器。

本实用新型具有在长波长工作情况下超高集成度，限制能力强等优点，弥补了传统波导以及偏振分束器的不足，是对偏振分束器的一种创新。

附图说明

图1为实施例偏振分束器结构截面图。

图2为实施例倒U型混合等离激元波导截面图。

图3为实施例凸型混合等离激元波导截面图。

图4为实施例600nm波导长度下30THz输入时TM模式电场分布示意图。

图5为实施例340nm波导长度下30THz输入时TM模式电场分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种基于波导结构的偏振分束器件，包括SiO₂衬底1，单边凸型混合等离子激元波导2和普通型混合等离子激元波导3。SiO₂衬底的宽度为800nm、厚度为100nm、宽度为100nm。单边凸型混合等离激元波导由宽20nm、高20nm的Si，上面和侧面分别堆叠5nm的SiO₂和0.4nm的石墨烯构成。普通条形型混合等离子激元波导由宽25nm，高20nm的Si上面堆叠5nm的SiO₂和0.4nm的石墨烯构成。

单边凸型混合等离激元波导由如下方式获得：由Graphene-SiO2-Si三层结构组成的倒U型混合等离激元波导(图2)切掉边角得到凸型混合等离激元波导(图3)，再进一步切去右侧Graphene-SiO₂得到。Si部分为宽20nm、高20nm，顶面与左侧面堆叠5nm左右的SiO₂层以及石墨烯层。

以单边凸型波导为输入波导，普通条形型波导为输入波导，设置30THz输入电磁波，得到600nm场波导情况下的场。图4为TM模式的场分布，从图中可以看出在340nm左右的传播距离时下波导(输入波导)中光场最弱，上波导(耦合波导)中光场最强，即耦合长度在340nm左右。根据耦合长度L_c＝π/[(n_e-n_o)/k₀]，可得耦合长度为349nm，与模拟结构基本符合。图5为波导长度为340nm时的TM模式电场分布图，展示了器件的偏振分束特性。