CN108181736A - 基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，包括金属结构层、石墨烯层、介质层、衬底反射层、金属电极和电压源，石墨烯层包括：至少一层石墨烯，石墨烯平铺于介质层，电压源与石墨烯连接，通过电压源对石墨烯施加不同的电压以调控入射光的反射率大小。根据本发明实施例的电光调制器，通过将金属和石墨烯结合，形成石墨烯/金属的复合结构，来实现对入射光的调控功能。

Description

基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器。
背景技术
亚波长结构，是一种人工设计的平面低维度微纳结构，由亚波长量级的单元模块构建而成，可产生许多超传统的物理现象。随着科技进步与现代化的发展，信息传输和处理的需求日益增长，光电元器件对尺寸的要求越来越精密，传统的光电器件无法满足现代化的需求，利用亚波长结构制作的高集成度的光电元器件应运而生。亚波长的光电器件以光学近场为信息载体，通过微纳米尺寸的光学元件与近场之间的电磁相互作用，来实现光信息的识别、检测、传递、传感、交换等。其与光相互作用的物理机理主要包括表面等离子激元，P-B相位(Pancharatnam-Berry Phase)，米散射(MIE)。其中金属的亚波长结构可有效激发表面等离子激元，在平面的结构处产生很强的共振吸收,通过调节亚波长结构的几何参数，能够有效的对电磁场的透射或者反射进行深度的调控。这种新型亚波长金属超表面器件调控能力强，有轻型化、微型化、集成化、操控灵活等优点。
单层石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构材料,以其高的电子迁移率、量子霍尔效应、极低的电阻率以及高的透光性等许多奇特的物理、化学特性,成为当今研究中的热点之一。传统的金属等导电材料中往往有大量的自由电子，而石墨烯是具有半导体性质的材料，其电子浓度仅仅1012cm-2到1013cm-2,同时石墨烯的载流子浓度可以通过电极及化学参杂调控。因此，石墨烯的光电特性是可调的，并可以在极大的范围内变化。通过在石墨烯上加电极，采用电参杂的方式，能够改变石墨烯的电导率，在光学上改变了其折射率，从而能够实时的对入射光进行调控。因此，石墨烯能够作为一个优良的电压可调控的材料用于光电器件。
中国发明专利(CN201710516770.5)一种基于石墨烯共面平面行波吸收型光调制器，采用了共平面的波导行波电极结构，在工作时，偏置电压通过微波探针加载到电极上，通过改变电压动态调节石墨烯的复合介电常数，从而影响条形光波导对光的吸收。发明采用了多条石墨烯带，结构相对复杂，未涉及仅用一个石墨烯平面的调控结构。
中国发明专利(CN107065072A)基于多模波导的新型光调制器，其结构是具有多模调制结构的电致吸收调制器，具有多模调制结构的相位调制器或者具有多模结构的马赫泽德干涉仪调制器，利用多模波导光调制区以及模式复用-解复用技术，使得光能够以不同的方式多次经过光调制区，从而增强对光场的调制结果。发明是利用很多条波导的结构通过复用和解复用的技术来实现，未涉及石墨烯的电压调控。
中国发明专利(CN107045214A)光调制器，结构为一种马赫泽德干型的光调制器，针对从半导体激光器入射的连续的光，通过根据电信号使两路光波导支路的量子阱的折射率变化而进行相位调制，利用光分波器使入射的连续光分波，光移相器配置在一条支路上，光和波器使两支路的光和波，加电极接到俩个支路，施加直流电压来实现光调制的功能。和本发明不同的是，该发明利用了马赫泽德的调制器模型，用波导的结构来实现。发明利用了长条波导结构，未涉及简单的平面结构。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种通过改变外部的施加电压来调控透过率，当外部电压为不同的连续数值时，对入射光的反射率也会随之改变的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器。
根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，包括：金属结构层、石墨烯层、介质层、衬底反射层、金属电极和电压源，其特征在于，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯平铺于所述介质层，所述电压源与所述石墨烯连接，通过所述电压源对所述石墨烯施加不同的电压以调控入射光的反射率大小。
根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，通过将金属结构层和石墨烯结合，形成石墨烯/金属的复合结构，来实现对入射光的调控功能。其中，金属结构层能够通过表面等离子激元共振效应来对共振波长处的入射光实现超吸收，实现某一波长的入射光的透过率进行调控，通过电压调控石墨烯，使得石墨烯具有不同的折射率，从而改变金属结构等离子激元的共振波长，使得超吸收的波段发生“漂移”，整个结构在同一入射光的条件下具有不同的透过率，根据外部施加电压的大小来调控所述的电光调制器的透过率，对于某一特定波长，可以通过改变电压的方式来得到这个波长不同的透过率。
另外，根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述电光调制器自下而上依次为：所述衬底反射层、所述介质层、所述石墨烯层和所述金属结构层，所述金属电极分别与所述石墨烯层和所述衬底反射层连接。
根据本发明的一个实施例，所述衬底反射层为金属反射层，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构。
根据本发明的一个实施例，所述衬底反射层为金、银或铜以用于反射入射光。
根据本发明的一个实施例，所述金属结构层为金属光栅，所述金属光栅的周期在150nm-10μm，占宽比在0.2-0.9，高度为10nm-200nm。
根据本发明的一个实施例，所述石墨烯层包括1-15层所述石墨烯。
根据本发明的一个实施例，所述介质层的厚度为0-2um。
根据本发明的一个实施例，所述介质层为氧化铝、氮化硼、氟化镁或二氧化硅。
根据本发明的一个实施例，所述电压源施加的电压为0-200v。
根据本发明的一个实施例，所述金属结构层的材料为金、银、铝、镍、铬、钛和铜中的至少一个或者其合金。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器的结构示意图；
图2是石墨烯的费米能级图；
图3是根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器不具有石墨烯层时的光透过率和波长的关系图；
图4(a)是根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器的石墨烯层为5层时不同费米能级下的光透过率和波长的关系图；
图4(b)是根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器的石墨烯层为7层时不同费米能级下的光透过率和波长的关系图；
图4(c)是根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器的石墨烯层为10层时不同费米能级下的光透过率和波长的关系图。
附图标记：
基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100；
衬底反射层10；介质层20；石墨烯层30；金属结构层40；金属电极50。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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发明中的具体含义。
下面结合附图具体描述根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100。
如图1所示，根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100包括衬底反射层10、介质层20、石墨烯层30、金属结构层40、金属电极50和电压源。
具体地，石墨烯层30包括至少一层石墨烯，石墨烯平铺于介质层20，电压源与石墨烯连接，通过电压源对石墨烯施加不同的电压以调控入射光的反射率大小。
由此，根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100，通过将金属和石墨烯结合，形成石墨烯/金属的复合结构，来实现对入射光的调控功能。其中，金属结构能够通过表面等离子激元共振效应来实现某一波长的入射光的透过率进行调控，通过电压调控石墨烯，使得石墨烯具有不同的折射率，从而改变金属结构等离子激元的共振波长，使得整个结构在同一入射光的条件下具有不同的透过率，根据外部施加电压的大小来调控器件的透过率。
根据本发明的一个实施例，电光调制器100自下而上依次为：衬底反射层10、介质层20、石墨烯层30和金属结构层40，金属电极50分别与石墨烯层30和衬底反射层10连接。
根据本发明的一个实施例，衬底反射层10为金属反射层，衬底反射层10、介质层20和石墨烯层30构成电容结构。
在本发明的一些具体实施方式中，衬底反射层10为金、银或铜以用于反射入射光。
可选地，金属结构层40为金属光栅，金属光栅的周期可为150nm-10μm，占宽比可为0.2-0.9，高度可为10nm-200nm。
可选地，石墨烯层30包括1-15层石墨烯。
根据本发明的一个实施例，介质层20的厚度为0-2um。
进一步地，介质层20为氧化铝、氮化硼、氟化镁或二氧化硅。
优选地，电压源施加的电压为0-200v。
根据本发明的一个实施例，金属结构层40的材料为金、银、铝、镍、铬、钛和铜中的至少一个或者其合金。
需要说明的是，金属光栅的形状可为矩形、梯形和正三角形中的至少一个或者其组合，石墨烯层30可平铺于介质层20上。
需要说明的是，根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100的原理为：金属存在自由电子，特定的金属结构能够在特定的入射光频率下产生等离子激元共振效应，从而在相应的共振波长处能够实现一个超吸收，这个超吸收使得经过的光全部被吸收，通过选择合适的金属，制造合适的金属微纳米结构，能够实现特定波段的超吸收，使得透过率最小，而不在共振波长处不存在超吸收。石墨烯是一种由碳原子构成的二维平面薄膜，由于其特殊的能带结构，当给石墨烯施加不同的电压，石墨烯能够表现出不同的光学折射率。通过施加不同的电压，石墨烯可以认为是一个可调谐的材料。我们将石墨烯置于金属结构的下方，可调谐的石墨烯能够对金属的等离子激元共振产生影响。施加不同的电压能够使金属等离子激元共振频率改变，于是当我们改变石墨烯的外加电压时，我们能够得到不同波长的超吸收，对于同一波长，我们调控外界的电压，器件能够得到在这个波长不同透过率。
金属结构的形状、周期、占宽比、介质层的厚度根据所需的工作波长来进行理论计算，根据时域有限差分法或者严格耦合波理论等方法进行计算。在所需的工作波长处，得到透过(或者反射)不同值时石墨烯所需的费米能级。
下面参照附图并结合具体实施例描述根据本发明的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100。
如图1所示，采用金属银作为衬底反射层10，衬底反射层10的厚度设置为两个微米，保证反射率高。在衬底反射层10上设有氧化铝(Al2O3)作为介质层20，介质层20的厚度为21nm，在氧化铝上平铺有10层石墨烯作为石墨烯层30，在石墨烯层30上设有周期180nm,光栅宽度170nm，高度为40nm的银光栅作为金属结构层40。
根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100通过使用基于时域有限差分法的FDTD(Finite-Difference Time-Domain Solutions)软件进行仿真,以1550nm为工作波长，以TM偏振光为入射光，实现了电光调制器的作用。
如图2所示，石墨烯的能带图是一个狄拉克锥，当对石墨烯施加电压时，能够改变石墨烯的费米能级。
如图3所示，当入射光进入金属结构层40时，能产生等离子激元共振，形成共振峰，但是由于金属结构层40制作好后，无法再去改变结构参数，所以不能达到实时改变反射率的功能。
如图4(a)至4(c)所示，在引入石墨烯后，通过不同费米能级下的光透过率，在不同的费米能级下，得到了不同的共振峰，在1550nm波长处，当费米能级不同时能够得到不同的反射率。图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为5层，7层和10层石墨烯时，不同的调制状态。
总而言之，根据本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100与现有技术相比，具有如下优点：
(1)采用能够电调控的石墨烯，通过简单的调节外部施加的电压即能实现基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100器件对入射光的调控作用，而无需重新改变结构的参数，实现了实时调控的功能；
(2)石墨烯的调控范围广，通过电压调节能在一种基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100器件上能够实现多波长的开光作用；
(3)通过改变金属的结构，结合石墨烯的光性能可调谐性，能够达到近红外到中红外的开光功能(1000nm-10um)。
需要说明的是，与CN201710516770.5相比，CN201710516770.5是利用波导间的不同耦合来实现光的吸收，本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100是利用平面结构通过表面等离子激元共振来实现吸收，通过石墨烯来改变吸收波长，从而实现调制功能。与CN107065072A相比，CN107065072A是利用很多条波导的结构通过复用和解复用的技术来实现，本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100是通过将金属微纳结构和石墨烯结合，利用电调控的功能来实现光的调制功能。与CN107045214A相比，CN107045214A利用了马赫泽德的调制器模型，用波导的结构来实现，本发明实施例的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器100利用的是微纳米结构和石墨烯结合，利用石墨烯的介电常数可调的功能来实现光调制器。
根据本发明实施例的电光调制器的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，包括金属结构层、石墨烯层、介质层、衬底反射层、金属电极和电压源，其特征在于，所述石墨烯层包括：
至少一层石墨烯，所述石墨烯平铺于所述介质层，所述电压源与所述石墨烯连接，通过所述电压源对所述石墨烯施加不同的电压以调控入射光的反射率大小。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述电光调制器自下而上依次为：所述衬底反射层、所述介质层、所述石墨烯层和所述金属结构层，所述金属电极分别与所述石墨烯层和所述衬底反射层连接。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述衬底反射层为金属反射层，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述衬底反射层为金、银或铜以用于反射入射光。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述金属结构层为金属光栅，所述金属光栅的周期在150nm-10μm，占宽比在0.2-0.9，高度为10nm-200nm。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述石墨烯层包括1-15层所述石墨烯。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述介质层的厚度为0-2um。
8.根据权利要求7所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述介质层为氧化铝、氮化硼、氟化镁或二氧化硅。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述电压源施加的电压为0-200v。
10.根据权利要求1所述的基于石墨烯/金属复合结构的电光调制器，其特征在于，所述金属结构层的材料为金、银、铝、镍、铬、钛和铜中的至少一个或者其合金。
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