[发明专利]基于石墨烯的S形波导

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的S形弯曲波导，尤其是此基于石墨烯的S形弯曲波导，可以在弯曲的表面上传播表面等离子体极化波。

背景技术

表面等离子极化波的出现，为突破衍射极限，实现亚波长的光电器件以及光电集成电路提供了可能。光波导是集成光学中必不可少的器件。由于光波导中光束传播方向的改变，光波导中的弯曲是必须的。普通的基于金属的表面等离子体极化波波导在遇到弯曲等不平的平面时，由曲率导致的辐射损耗会产生，由于金属上支持的表面等离子体极化波的折射率比较小，局域性相对较弱，在散射损失了一部分动量后，此时的折射率很可能小于空气中的折射率，这时已经不能支持表面等离子体极化波的传输了，而金属要用在弯曲波导器件中，大多是通过在金属上设计光学变换结构来实现，光学变换的结构如图1所示。而石墨烯具有很强的柔韧性和稳定性，通过化学掺杂，人们可以调节石墨烯上支持的表面等离子体极化波的折射率，从而调节石墨烯上支持的表面等离子体极化波的局域性。相对于金属，通过化学掺杂，石墨烯的局域性可以远远大于普通金属，且石墨烯具有很强的柔韧性和稳定性，不需要做任何光学变换结构也能很好的引导表面等离子体极化波沿着弯曲的表面传播，从而克服了金属弯曲波导中需要做光学变换结构才能良好传输的限制。迄今为止，尚无人使用石墨烯来设计S形波导。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于石墨烯的S形波导，不需要做任何光学变换结构即可以在弯曲的表面上传播表面等离子体极化波，加工简单，易于实现。

本发明采用如下技术方案：

一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅衬底，二氧化硅衬底的上表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底上铺有石墨烯层，并且石墨烯层的化学势为0.8eV，石墨烯层的形状与二氧化硅衬底上表面的形状相吻合。

与现有技术比，本发明具有以下优点：

本发明使用石墨烯来设计S形波导，现有技术中是使用金属来设计弯曲波导，由于金属上支持的表面等离子体极化波的折射率相对较小，局域性不是很好，一般都是通过在金属上设计光学变换结构,例如图1中在金属4的上面铺设介电常数厚度不同的介质层5,6,7来实现，加工困难，不利于实际应用。而石墨烯具有很强的柔韧性和稳定性，其折射率可以通过化学掺杂的方式来调节，使得其上支持的表面等离子体极化波的局域性很强，不需要做任何光学变换结构也能很好的引导表面等离子体极化波沿着弯曲的石墨烯表面传播。此发明，加工简便，易于实现，克服了金属弯曲波导中需要做光学变换结构才能良好传输的限制。

附图说明

图1是金属表面等离子体极化波弯曲波导上的光学变换结构的侧视图，4为金属，5,6,7分别为厚度，介电常数不同的介质层。

图2是本发明的结构侧视图，包括叠合在一起的三层结构，最下面的是硅基底，硅基底上铺二氧化硅衬底，二氧化硅衬底上铺石墨烯层。二氧化硅衬底上表面设有S形起伏表面，其中，组成此S形的半圆的直径D为120nm。

图3是在温度为300K,化学势为0.8 eV时,石墨烯上支持的表面等离子体极化波的有效折射率的实部随频率的变化曲线。由此图可以看出，石墨烯上支持的表面等离子体极化波的有效折射率的实部在一个很宽的频带内都很大，即局域性很强。

图4是本发明的y方向磁场强度分布的仿真结果图，频率为160THz时，左端为入射端，右端为出射端，由图可见，表面等离子体极化波在弯曲的石墨烯表面上很好的从左端传到了右端。

 

具体实施方式：

一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底3，在硅衬底3上设有二氧化硅衬底2，二氧化硅衬底2的上表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底2上铺有石墨烯层1，并且石墨烯层1的化学势为0.8eV（对应的载流子浓度为4.7e¹³cm^-2），石墨烯层1的形状与二氧化硅衬底2上表面的形状相吻合。石墨烯的化学势可以通过化学掺杂的方式来实现，现今技术中利用四氰代二甲基苯醌等分子吸附技术掺杂，可以使得石墨烯的载流子浓度达到1e¹⁴cm^-2。

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）。