[发明专利]基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用石墨烯实现的表面等离子体极化波可变传播宽度波导，尤其是此基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导的传播宽度可以通过施加不同的偏置电压来改变。

背景技术

自2004年发现石墨烯以来，引起了人们强烈的研究兴趣。Ashkan Vakil和Nader Engheta教授于2011年提出了基于石墨烯的表面等离子体极化波(SPP波)波导(“Transformation optics using graphene，”Science 332(6035)，1291-1294，2011)。现在，我们提出一种基于石墨烯的SPP波可变传播宽度波导，它不仅具有石墨烯SPP波波导损耗小，介电常数可调的优点，同时还具备它的传播宽度也具备可调性的优点。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“Dyadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)，

其中-e为电子电量，为普朗克常数，f_d(ε)＝1/(1+exp[(ε-μ_c)/(k_BT)])是费米狄拉克分布，k_B为波尔兹曼常数，ω为角频率，μ_c为化学势，Γ表示散射率，T表示温度。由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的。不同的电导率又对应着不同的介电常数，它们的对应关系为：Re(ε_g，eq)＝-σ_g，i/ωΔ+ε₀≈-σ_g，i/ωΔ，Im(ε_g，eq)＝σ_g，r/ωΔ。所以，我们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数。A.Vakil教授和N.Engheta教授提出，可以使用uneven ground plane(凹凸不平的地平面)技术来实现在一片石墨烯上的不同区域有不同的化学势(“Transfromation Opticas UsingGraphene，”Science 332(6035)，1291-12932011)。石墨烯化学势与门电压的关系为：

其中，ε₀、ε_r分别表示空气和sio₂的介电常数，t是sio₂衬底的厚度。所以我们可以通过改变门电压来改变石墨烯的化学势从而改变石墨烯的介电常数。迄今为止，尚无人应用石墨烯来设计表面等离子体极化波可变传播宽度波导。

发明内容

本发明提供一种基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导，它不仅具有石墨烯表面等离子体极化波波导损耗小，重量轻，易于集成的优点，同时还具有传播宽度可以随着偏置电压的改变而改变的特点。

本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导，包括：叠合在一起的硅衬底和二氧化硅衬底，在硅衬底上设有阶梯形带状突起，在二氧化硅衬底上设有与阶梯形突起相配合的阶梯形凹槽，且所述阶梯形带状突起嵌入阶梯形带状凹槽中，在二氧化硅衬底上设有石墨烯层。

本发明最下面的是硅衬底，硅衬底上面铺二氧化硅衬底，二氧化硅衬底上面再铺石墨烯层，偏置电压源的一极加在硅衬底上，另一极加在石墨烯上。不同区域硅衬底的厚度不同，不同厚度的硅衬底导致了不同厚度的二氧化硅衬底，从而在同一个偏置电压下，不同区域的石墨烯所感应到的化学势不同，所以，不同区域上的石墨烯具有不同的介电常数。硅衬底一部分条带区域上对应的石墨烯介电常数的实部为正值——不能支持表面等离子体极化波(SPP波)传播，硅衬底另一部分条带区域上对应的石墨烯的介电常数为负值——可以支持表面等离子体极化波(SPP波)。当施加不同的偏置电压时，可以传播表面等离子体极化波的石墨烯条带总数会改变，从而可以实现表面等离子体极化波波导传播宽度可调的目的。

与现有技术比，本发明具有以下优点：

1、本发明首次实现了基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导。

2、本基于石墨烯的表面等离子体极化波可变传播宽度波导，通过设计硅衬底各个区域的厚度和合适的偏置电压，此器件可以工作于多个频点。