一种基于石墨烯的光偏振转换器的制作方法

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种基于石墨烯的光偏振转换器。

背景技术：

石墨烯是由sp2杂化的碳原子紧密排列而形成的蜂窝状二维层状晶体，它有着超宽带的光学响应谱、极强的非线性光学特性以及与硅基半导体工艺的兼容性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。在一定条件下，石墨烯表面传导电子与光子相互作用形成耦合电磁模（即，表面等离激元）。耦合电磁模局域性很强，能够突破衍射极限，可作光耦合器件中的信息载体。耦合电磁模最大的优势在于其传播常数能通过外部电场（或磁场）或化学掺杂的方式进行调节。

传统的光偏振转换器件（如半波片，四分之一波片等）存在尺寸较大、不可调谐等不足之处。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种尺寸小、能够使线偏振光转换为左旋或者右旋圆偏振光的基于石墨烯的光偏振转换器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于石墨烯的光偏振转换器，包括介质衬底、上电解质层、上金属电极、上石墨烯条带阵列、二氧化硅层、下石墨烯条带阵列、下电解质层、下金属电极；所述上电解质层和上金属电极并列设置在上石墨烯条带阵列的上方，并且与上石墨烯条带阵列的所有石墨烯条搭接在一起；所述上石墨烯条带阵列和下石墨烯条带阵列方向相互垂直，并且中间夹着二氧化硅层；所述下金属电极和下电解质层并列地设置在下石墨烯条带阵列的下方并且与下石墨烯条带阵列的所有石墨烯条带搭接在一起，下金属电极和下电解质层之间夹有二氧化硅；下金属电极和下电解质层位于介质衬底上。

在本发明中，一束线偏振入射光的偏振方向与上石墨烯条带阵列方向或者下石墨烯条带阵列方向一致时，透射光亦为线偏振光，并且偏振方向不会发生变化。在特定频率下，上石墨烯条带阵列或者下石墨烯条带阵列处于响应状态（即表面等离激元响应），在响应波长附近，透射光的相位发生急剧变化。若调节入射光的偏振方向，可使沿上石墨烯条带阵列方向和下石墨烯条带阵列方向透射光的光矢量大小相等，且两方向的相位差为90⁰或-90⁰；这样，透射光变为了右旋或者左旋的圆偏振光了。

本发明中，上石墨烯条带阵列上方的上电解质层和上金属电极以及下石墨烯条带阵列下方的下电解质层和下金属电极构成栅极结构。改变栅电压可调节上、下层石墨烯费米能级，石墨烯费米能级的变化影响着石墨烯条带阵列的响应波长和相位变化，由此在不改变结构参数的情形下，线偏振光转换为右旋或左旋圆偏振光能实现主动调控。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述下金属电极和下电解质层之间填充有二氧化硅。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述上金属电极、下金属电极、上电解质层和下电解质层的厚度为100-1000nm。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述上金属电极和下金属电极为金或者银。金和银的电导率高，并且其可塑性也高，能够尽最大可能的减少损耗和减少制作的麻烦。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述衬底为碳化硅层。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述衬底的厚度为200-1000nm。

上述的基于石墨烯的光偏振转换器，优选的，所述上石墨烯条带阵列和下石墨烯条带阵列的周期为50-200nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明基于目前极为成熟的微纳刻蚀加工技术以及多层膜技术，工艺流程不繁杂，操作简单。与传统的同频段偏振器件相比，石墨烯的引入大大缩小了偏振器件的尺寸。（2）本发明通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光的透射率以及相位，实现了对光偏振态的主动控制，而且响应速度快。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯的光偏振转换器的结构示意图。

图2为实施例1中的透射谱图。

图3为实施例1中线偏振光通过本发明的转换器后透射光相位以及两透射光相位差与波长之间的关系图。

图4为实施例2中的透射谱图。

图5为实施例2中线偏振光通过本发明的转换器后透射光相位以及两透射光相位差与波长之间的关系图。

图例说明

1、上电解质层；2、上金属电极；3、上石墨烯条带阵列；4、二氧化硅层；5、下电解质层；6、下金属电极；7、下石墨烯条带阵列；8、衬底。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示的一种基于石墨烯的光偏振转换器，上电解质层1、上金属电极2、下电解质层5和下金属电极6的厚度为300 nm，上石墨烯条带阵列3、下石墨烯条带阵列7的周期均为80nm，本实施例中，上金属电极2和下金属电极6为金。上石墨烯条带阵列3和下石墨烯条带阵列7的石墨烯宽度分别为50和48 nm，二氧化硅层4和衬底8碳化硅的厚度分别为10和500 nm。石墨烯的载流子迁移率和费米速度分别为20000 cm²/（Vs）和10⁶ m/s。调节栅电压Vg1、Vg2使上石墨烯条带阵列3和下石墨烯条带阵列7的对应费米能级均为0.6 eV。当一束波长位于红外波段、沿x（y）方向极化的线偏振平行光垂直入射电解质时，透射光亦为沿x（y）方向极化的线偏振光，透射谱如图2所示。图2中，x、y方向线偏振光对应谱线Tx和TY均有一个透射谷，该透射谷对应石墨烯表面等离激元响应。两条谱线相交点透射值相等（光矢量大小相等），相交点波长为7.78微米。图3描绘了x和y方向线偏振光通过结构后的透射光相位（即Фx和Фy）以及俩透射光相位差（即ΔФ=Фy—Фx）与波长之间的关系。在7.78微米波长位置，俩透射光相位差ΔФ为-90⁰，表明y方向线偏振光相位落后x方向线偏振光90⁰。从上面的数据我们可知：如果一波长为7.78微米的线偏振入射光垂直入射上述结构，且偏振方向与x轴成45⁰角，此时的入射光可分解为沿x和y方向光矢量大小相等的俩束光，且相位相同，该俩束光对应的透射光的光矢量大小也会相同，但相位差ΔФ为-90⁰，俩光矢量合成后成为一左旋圆偏振光。综上所述，一波长为7.78微米线偏振入射光在上述参数情形下，透射光转换成了一左旋圆偏振光。

实施例2：上石墨烯条带阵列3和下石墨烯条带阵列7的费米能级能分别通过栅电压Vg1和Vg2进行调节。当上石墨烯条带3阵列和下石墨烯条带阵列7的费米能级分别为0.62和0.53eV 时，x、y方向偏振光的透射谱Tx和TY与相位变化分别如图4和图5所示。与图2不同的是，俩透射谱线相交位置发了变化（交点对应波长为7.99微米），此时的俩透射光相位差ΔФ为90⁰（图5）；说明y方向线偏振光超前x方向线偏振光90⁰。类似上面的分析，我们可以得到如下结论：一波长为7.99微米、偏振方向与x轴成45⁰角的线偏振入射光垂直入射上述结构，透射光为一右旋圆偏振光。

本实施例的其他部分与实施例1相同。