一种双向耦合器及使用方法与流程

1.本发明涉及信息光电子技术领域，具体涉及一种双向耦合器及使用方法。


背景技术：

2.当光波(电磁波)入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象(surface plasmon polaritons，spp)。
3.由于表面等离激元所具备的高度局域、场增强、亚波长传输等奇异的电磁特性，使其被深入研究并取得了广泛的应用。但因为金属材料在微波频段表现为完美电导体，表面等离激元无法自然地存在于此频段。于是，一种出现在微波频段、存在于经过特殊结构设计的人工电磁材料界面上的人工表面等离激元被逐步研究和推广，因其具有相近于表面等离激元的性质，所以人工表面等离激元技术在天线、传感器、波导等器件中具有重要的应用价值。
4.近些年来，人工表面等离激元的激发和传播一直是研究的热点问题之一，如何设计出简单高效的人工表面等离激元耦合器更是急需解决的一个问题。然而，人工表面等离激元耦合器大多采用的单向耦合的方式，即在同一个结构上只能实现一个方向的光波耦合，但是单向耦合存在设计的自由度交底，转角损耗较大的问题，这严重限制了它的实际应用，亟待解决。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供了一种双向耦合器，其可以在同一个结构上实现两个方向的光波耦合。
6.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
7.一种双向耦合器，包括：
8.氮化硼薄膜；
9.石墨烯薄膜，其与所述氮化硼薄膜间隔交错设置以形成一耦合区。
10.一些实施例中，
11.所述耦合区的长度满足：lc＝π/|n
effect-graphene-n
effect-hbn
|，其中，lc为耦合区的长度，n
effect-graphene
为石墨烯表面等离激元的有效折射率，n
effect-hbn
为氮化硼表面声子激元的有效折射率。
12.一些实施例中，所述氮化硼薄膜和石墨烯薄膜的间距为50nm。
13.一些实施例中，所述氮化硼薄膜的厚度为50nm。
14.一些实施例中，所述氮化硼薄膜和石墨烯薄膜呈上下间隔、左右水平交错布置。
15.一些实施例中，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯。
16.本发明第一方面提供了一种双向耦合器的使用方法，其可以在同一个结构上实现两个方向的光波耦合。
17.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
18.根据上述的一种双向耦合器的使用方法，该方法包括以下步骤；
19.利用中远红外光在石墨烯薄膜上形成表面等离激元波，并在氮化硼薄膜上形成表面声子激元波；
20.将表面等离激元波和表面声子激元波进行耦合。
21.一些实施例中，还包括：
22.根据中远红外光的波长和石墨烯、氮化硼的介电常数，分别计算石墨烯表面等离激元和氮化硼表面声子激元的有效折射率；
23.根据公式：lc＝π/|n
effect-graphene-n
effect-hbn
|设置耦合区的长度lc，其中，n
effect-graphene
为石墨烯表面等离激元的有效折射率，n
effect-hbn
为氮化硼表面声子激元的有效折射率。
24.一些实施例中，利用波长范围为6.22μm-7.3μm内的中远红外光，使表面等离激元波和表面声子激元波进行同向耦合。
25.一些实施例中，利用波长范围为12.05μm-12.82的中远红外光，使表面等离激元波和表面声子激元波进行相背耦合。
26.与现有技术相比，本发明的优点在于：
27.本发明中的双向耦合器，其包括石墨烯薄膜与氮化硼薄膜。通过将石墨烯薄膜与氮化硼薄膜间隔交错设置以形成一耦合区后，选择不同范围的入射光波的波长，就可以在同一个结构上实现两个方向的光波耦合，相比现有技术中单向耦合的方式，设计的自由度更高，根据实际情况可以选择改变传播方向，可以有效避免因转角带来的弯曲损耗。
附图说明
28.图1是本发明实施例中双向耦合器的结构示意图；
29.图2是本发明实施例中激射波长为6.4μm时耦合器电场分布图；
30.图3是本发明实施例中激射波长为6.5μm时耦合器电场分布图；
31.图4是本发明实施例中激射波长为12.3μm时耦合器电场分布图；
32.图5是本发明实施例中双向耦合器使用方法的流程图。
具体实施方式
33.下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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
申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.进一步的，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
36.参见图1所示，本发明实施例公开了一种双向耦合器，其包括氮化硼薄膜和石墨烯薄膜。
37.其中，石墨烯薄膜与所述氮化硼薄膜间隔交错设置以形成一耦合区。氮化硼薄膜和石墨烯薄膜呈上下间隔、左右水平交错布置。在图1中所示的是氮化硼薄膜位于石墨烯薄膜的上方，当然也可将石墨烯薄膜设置在氮化硼薄膜上方。
38.值得说明的是，石墨烯表面可以传输表面等离子激元波，其工作波长主要是在中远红外波段(大于3μm)，当中远红外光耦合到石墨烯的表面等离激元时，表面等离子激元波的波长可以减小到几十到几百纳米。
39.在实际操作中，一般采用光栅结构补充波矢不匹配，可以高效的将自由空间红外光耦合到石墨烯表面等离激元波。在氮化硼的表面上支持传输中红外的表面声子激元波，它是有氮化硼的声子振动和红外光子的集体振荡形成的。这种波和石墨烯表面的等离激元波类似，可以极大的减小传输波的波长，耦合方式也同石墨烯类似，但是因为其在区间ⅰ6.22μm-7.3μm和区间ⅱ12.05μm-12.82μm两个波长区间的介电常数为负数，所以能够在这两个波长区间支持表面声子激元。
40.通常来说，合适的耦合区的长度可以提高耦合效率，耦合区的长度过长或者过短都不利于耦合。一些优选的实施例中，耦合区的长度会根据石墨烯表面等离激元和氮化硼表面声子激元的有效折射率来决定。而石墨烯表面等离激元和氮化硼表面声子激元的有效折射率，它们分别可以通过入射光波的波长和二维材料(石墨烯，氮化硼)的介电常数来计算出来。具体而言，在本实施例中，耦合区的长度满足：lc＝π/|n
effect-graphene-n
effect-hbn
|，其中，lc为耦合区的长度，n
effect-graphene
为石墨烯表面等离激元的有效折射率，n
effect-hbn
为氮化硼表面声子激元的有效折射率。
41.石墨烯薄膜可以根据需要选择石墨烯或单层石墨烯，氮化硼薄膜的厚度也可以根据需要合理选择，比如可以为50nm。不同的尺寸会导致它们的有效折射率不同，从而使得二者的耦合长度不同。此外，氮化硼薄膜和石墨烯薄膜之间的间距不能太远，太远也会导致耦合效率下降，耦合效率可以通过仿真计算来确定，在本实施例中采用50nm的间距可以得到一个比较合适的耦合效率。
42.下面以单层石墨烯和厚度t为50nm的氮化硼薄膜，且二者间距g为50nm的情形为例进行说明：
43.当入射光波的波长为6.4μm时，n
effect-graphene
＝16.245μm，n
effect-hbn
＝47.56μm，可以计算出耦合区的长度：lc＝102nm。
44.当入射光波的波长为6.5μm时，n
effect-graphene
＝29.02μm，n
effect-hbn
＝15.98μm，可以计算出耦合区的长度：lc＝250nm。
45.图2和图3中给出了激射波长分别为6.4μm和6.5μm时耦合器的电场分布图，可以看到石墨烯表面等离激元从左往右耦合在氮化硼表面的表面声子激元上。
46.当入射光波的波长在区间ii 12.05μm-12.82μm时。这里以激射波长为12.3μm为例，根据同样的方式可以计算出耦合区的长度lc＝93nm，图4给出了此波长下的耦合器电场分布图，可以看到，石墨烯上的表面等离激元耦合到氮化硼上的表面声子激元上，它们的传输方向相反。
47.综上所述，本发明中的双向耦合器，其包括石墨烯薄膜与氮化硼薄膜。通过将石墨烯薄膜与氮化硼薄膜间隔交错设置以形成一耦合区后，选择不同范围的入射光波的波长，就可以在同一个结构上实现两个方向的光波耦合，相比现有技术中单向耦合的方式，设计的自由度更高，根据实际情况可以选择改变传播方向，可以有效避免因转角带来的弯曲损耗。
48.参见图5所示，本发明实施例还公开了上述双向耦合器的使用方法，该方法包括以下步骤；
49.s1.利用中远红外光在石墨烯薄膜上形成表面等离激元波，并在氮化硼薄膜上形成表面声子激元波。
50.具体的，步骤s1包括：
51.s11.根据中远红外光的波长和石墨烯、氮化硼的介电常数，分别计算石墨烯表面等离激元和氮化硼表面声子激元的有效折射率；
52.s12.根据公式：lc＝π/|n
effect-graphene-n
effect-hbn
|设置耦合区的长度lc，其中，n
effect-graphene
为石墨烯表面等离激元的有效折射率，n
effect-hbn
为氮化硼表面声子激元的有效折射率。
53.s2.将表面等离激元波和表面声子激元波进行耦合。
54.一些实施例中，利用波长范围为6.22μm-7.3μm内的中远红外光，使表面等离激元波和表面声子激元波进行同向耦合。
55.一些实施例中，利用波长范围为12.05μm-12.82的中远红外光，使表面等离激元波和表面声子激元波进行相背耦合。
56.一些实施例中，所述氮化硼薄膜和石墨烯薄膜的间距为50nm。
57.一些实施例中，所述氮化硼薄膜的厚度为50nm。
58.一些实施例中，所述氮化硼薄膜和石墨烯薄膜呈上下间隔、左右水平交错布置。
59.一些实施例中，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯。
60.综上所述，本发明中的双向耦合器的使用方法，通过将石墨烯薄膜与氮化硼薄膜间隔交错设置以形成一耦合区后，选择不同范围的入射光波的波长，就可以在同一个结构上实现两个方向的光波耦合，相比现有技术中单向耦合的方式，设计的自由度更高，根据实际情况可以选择改变传播方向，可以有效避免因转角带来的弯曲损耗。
61.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申
请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。