一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，具体为一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器。

背景技术：

石墨烯作为一种二维材料，由单层碳原子以蜂窝状晶格结构排布，其柔性可弯曲的特点使其能够与超表面结构相结合；而且石墨烯具备超宽的调控带宽（从近红外到太赫兹），超高的载流子迁移率可以达到200000cm²/(v×s)，这为实现宽波段超快光电子器件提供了可能。光调制器作为芯片光互联中的核心器件，在未来具有着十分重要的应用前景。近年来，关于石墨烯光调制器的研究受到国内外学者的广泛研究。

为了提高石墨烯光调制器的调制深度和调制带宽，需要增强光与石墨烯的相互作用，目前关于石墨烯光调制器的研究主要包括：基于波导结构的石墨烯光调制器和基于超表面的石墨烯光调制器。对于基于波导结构的石墨烯光调制器，其调制能力对波导长度具有强烈的依赖性，例如：liu等人将单层石墨烯与硅波导耦合，通过调节石墨烯的费米能级，在1.35μm到1.60μm的近红外波段实现了40μm波导长度内~0.1db/μm的调制深度（参见[mingliu,et.al.,"agraphene-basedbroadbandopticalmodulator",nature,vol.474,no.(7349),pp.64-67,2011]）。除了利用波导增强石墨烯的调制能力，还可以将石墨烯表面等离子体与超表面结合，提高石墨烯与光的相互作用。例如：gao等人将单层石墨烯平铺在硅光栅上，利用导模共振并通过给石墨烯施加偏置电压实现对tm光的透射调制，当费米能级从0.4ev增加到0.9ev时，共振峰频率可以从1000cm^-1迁移到1400cm^-1（约为7–10μm），调制深度可达10db（参见[weilugao,et.al.,"excitationofplasmonicwavesingraphenebyguided-moderesonances",acsnano,vol.6,no.(9),pp.7806-7813,2012]）。上述基于石墨烯的光调制器虽然各自的机理不同，但石墨烯与电场弱的相互作用限制了器件的调制深度和调制带宽。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，以解决现有调制器存在的调制深度和调制带宽不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底，所述衬底上覆盖有调制层，所述调制层上通过镀膜-刻蚀设有非金属光栅层，所述非金属光栅层上通过镀膜设有金属光栅层，所述衬底两侧分别通过镀膜设有电极一与电极二，所述调制层为石墨烯。

优选的，所述石墨烯可以直接生长或者转移至所述衬底上，可以为单层或者多层所述石墨烯，形状可以为一片完整的石墨烯也可以是石墨烯纳米带阵列。

优选的，所述非金属光栅层的材料为硅，且利用镀膜工艺沉积在所述调制层的上方，形成一层均匀的硅膜，通过刻蚀工艺形成所述非金属光栅层。

优选的，所述金属光栅层的材料为铝，利用镀膜工艺均匀地沉积于所述非金属光栅层的上表面，且位于所述非金属光栅层狭缝中的所述调制层的上方。

优选的，所述电极一沉积在未被所述调制层覆盖的所述衬底上方，且电极的材料可以为金、银、铜金属，所述衬底的材料为硅。

优选的，所述电极二沉积在以所述非金属光栅层延伸部分的所述调制层的上方，电极的材料可以为金、银、铜金属。

优选的，所述石墨烯的层数为15层，所述非金属光栅层的周期为p=250nm，高度h1=700nm，宽度w=110nm，所述金属光栅层的厚度h2=50nm。

优选的，所述石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压。

有益效果

本发明所提供的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，将石墨烯的调制层与非金属光栅层耦合，利用金属光栅的优异偏振特性和对石墨烯局域表面等离子激元进一步增强的场约束能力，从而大幅提高器件的调制深度和调制带宽，该结构对te线偏振入射光具有强反射，对tm线偏振入射光可实现在宽波段范围内的透射调制，该特性可以使本发明实现自然光入射时，对透射光高调制深度、宽调制带宽的调制功能。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为本发明的立体结构示意图；

图3为在入射光为tm线偏振光条件下，石墨烯为不同费米能级的透射率谱线图；

图4为在入射光为te线偏振光条件下，石墨烯为不同费米能级的透射率谱线图；

图5为石墨烯的费米能级为0.3ev，共振波长为13.5μm的电场分布图；

图6为石墨烯的费米能级为0.3ev，波长为7μm（远离共振峰）的电场分布图；

图7为硅光栅的高度h1=500nm时，不同费米能级的透射率谱线图；

图8为硅光栅的高度h1=600nm时，不同费米能级的透射率谱线图；

图9为硅光栅的高度h1=700nm时，不同费米能级的透射率谱线图。

附图标记

1-衬底，2-调制层，3-非金属光栅层，4-金属光栅层，5-电极一，6-电极二，h1-硅光栅高度，h2-金属光栅层厚度，w-硅光栅宽度，p-周期。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例

如图1-2所示，一种基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器，包括衬底1，衬底1上覆盖有调制层2，调制层2上通过镀膜-刻蚀设有非金属光栅层3，非金属光栅层3上通过镀膜设有金属光栅层4，衬底1两侧分别通过镀膜设有电极一5与电极二6，所述调制层2为石墨烯。

本发明的调制机理可由石墨烯在红外波段所激发的局域表面等离激元共振来解释。自然光入射至如图1所示的1-衬底中，由于硅在中远红外波段具有良好的透过率，因此入射光经过1-衬底后到达2-调制层，与石墨烯发生作用。在中红外到太赫兹波段，由于石墨烯特殊的光学性质可以激发表面等离激元（surfaceplasmonpolaritons，spps），产生共振峰。在如图1所示的结构中，电场垂直于栅线方向的te线偏振光无法激发表面等离激元，因此会直接透过石墨烯，一部分te光经过3-非金属光栅层（硅光栅）被4-金属光栅层反射，另一部分te光透过石墨烯后直接被4-金属光栅层反射，因此te光无法透过，表现为强烈反射。tm光经过1-衬底后与2-调制层（石墨烯）发生作用，激发表面等离子体，产生共振峰，然而由于覆盖于2-调制层的金属阻碍了表面等离子体沿x方向传播，因此一部分电场能量被反射回去，另一部分电场能量被局域在3-非金属光栅层下方的石墨烯中，激发局域表面等离子体共振（localizedsurfaceplasmonicresonance,lspr）。当位于共振峰波长时，电场能量被吸收和反射，表现为波谷，为调制器的“off”状态，当远离共振峰波长时，石墨烯对电场的约束能力迅速减小，tm光透过3-非金属光栅层和4-金属光栅层表现为高透射率，为调制器的“on”状态。当给2-调制层施加电压时，石墨烯的费米能级会发生改变，导致共振峰的波长和强度均会发生改变，局域表面等离子体共振极大地增强了光与石墨烯的相互作用，从而大幅提高了本实施例的调制深度和调制带宽。又由于本发明对te光表现为强反射，因此入射光为自然光时，本实施例结构可实现对透射光高调制深度、宽调制带宽的调制功能。

优选的，调制层2为石墨烯，石墨烯可以直接生长或者转移至衬底1上，可以为单层或者多层石墨烯，形状可以为一片完整的石墨烯也可以是石墨烯纳米带阵列。

优选的，非金属光栅层3的材料为硅，且利用镀膜工艺沉积在调制层2的上方，形成一层均匀的硅膜，通过刻蚀工艺形成非金属光栅层3。

优选的，金属光栅层4的材料为铝，利用镀膜工艺均匀地沉积于非金属光栅层3的上表面，且位于非金属光栅层3狭缝中的调制层2的上方。

优选的，电极一5沉积在未被调制层2覆盖的衬底1上方，且电极的材料可以为金、银、铜金属，衬底1的材料为硅。

优选的，电极二6沉积在以非金属光栅层3延伸部分的调制层2的上方，电极的材料可以为金、银、铜金属。

优选的，石墨烯的层数为15层，非金属光栅层3的周期为p=250nm，高度h=700nm，宽度w=110nm，金属光栅层4的厚度h2=50nm。

优选的，石墨烯层上施加有垂直方向的直流偏置电压。

由于自然光可以分解为两个电场分量相互垂直的线偏振光，因此将分别对电场分量垂直于栅线方向的tm线偏振光和电场分量平行于栅线方向的te线偏振光进行讨论，其透射率分别表示为tm-t和te-t。

如图3所示，对于tm偏振光入射，当无偏置电压时（也即ef为0ev），tm光没有表现强烈的共振特性，透过率在~0.6以上；

当在石墨烯上施加偏置电压时（即图中ef为0.1,0.3,1.0ev时），tm光表现出强烈的共振特性，共振峰在7-22μm变化，根据此特性可以通过调节石墨烯的费米能级实现宽波段调制器功能，例如：当费米能级ef=1.0ev时，在波长7μm附近的共振峰透射率接近于0，此时光调制器处于“off”状态；当费米能级ef为0ev、0.1ev或0.3ev时，7μm附近的tm透射率大于0.7，此时光调制器处于“on”状态。设置费米能级ef为0.3ev,此时在7.07μm共振波长处，tm光的调制深度最大可以达到99.96%（33.77db）。从而本实施例结构对于tm光可以实现高调制深度、宽调制带宽的调制功能。

如图4所示，给出了te入射光时，在不同费米能级的透射率谱线。可以看出，在te光入射的情况下，无论费米能级的高低，其透射强度接近为零，达到60db以上。这一特性表明，双层金属光栅结构可以有效滤除te光，降低对入射光偏振态的严格要求，实现入射光为自然光时本实施例结构对透射光的调制功能。

由于te光不可能激发局域表面等离激元共振效应，因此下面只讨论tm入射光对调制器的作用。如图5所示，给出了tm入射下，费米能级ef=0.3ev时，在共振峰处（波长为13.5μm）的电场分布图，可以看到，内部电场均集中分布于石墨烯与硅光栅的界面处，金属铝限制了表面等离子体沿石墨烯表面传播，将电磁场局域在石墨烯附近，这极大地增强了石墨烯局域表面等离子体及对电磁场的约束能力。

如图6所示，给出了tm入射下，费米能级ef=0.3ev时，远离共振峰（波长为7μm）的电场分布图，可以看到，石墨烯附近的电场明显减弱，由于硅光栅的透射增强，在光栅狭缝中形成了较强的电场能量。

本发明提出的双层结构金属光栅中，无需刻蚀金属铝，只需要进行硅的刻蚀，这大大减少了实验的难度；为了进一步考察硅光栅刻蚀的高度对器件性能的影响，图7为硅光栅的高度h1=500nm时，不同费米能级的透射率谱线图，其他结构参数为：硅光栅周期为p=250nm，光栅的宽度w=110nm，金属铝的厚度h2=50nm。图8为硅光栅的高度h1=600nm时，不同费米能级的透射率谱线图，其他结构参数为：硅光栅周期为p=250nm，光栅的宽度w=110nm，金属铝的厚度h2=50nm。图9为硅光栅的高度h1=700nm时，不同费米能级的透射率谱线图，其他结构参数为：硅光栅周期为p=250nm，光栅的宽度w=110nm，金属铝的厚度h2=50nm。图7、8、9分别给出了三个不同硅光栅高度时（h1分别为500nm，600nm，和700nm时）的器件性能，可以看到，不同硅光栅的高度，调制深度和调制带宽几乎不受影响，仅仅影响“on”状态时的tm绝对透射率大小，对于tm线偏振光，调制器可以实现在7-12μm调制深度大于99.85%（28.10db），最大调制深度达99.96%（33.77db）；在12-22μm范围内，调制深度大于94.57%（12.65db）。

本发明利用硅基的双层金属光栅结构实现tm条件下多层石墨烯增强的局域表面等离子体共振，同时对te光实现高反射，进而实现高调制深度、宽调制范围的透射光调制器功能，因此本发明提出的基于石墨烯等离子体的宽带透射式红外光调制器的结构设计具有可自然光入射、结构和制备相对简单、具有优异的调制深度和调制带宽等优点，在芯片光互联与光计算技术中有着巨大的应用场景。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。