[实用新型]一种石墨烯-半导体双脊型混合表面等离子波导结构

说明书

本实用新型公开了一种石墨烯‑半导体双脊型混合表面等离子波导结构，其特征是，包括自下而上顺序叠接的二氧化硅基底、二氧化硅缓冲层和高折射率半导体层，所述二氧化硅缓冲层中自下而上设有顺序叠接的脊型金属纳米层、矩形耦合层和倒脊型纳米层，脊型金属纳米层的底部与二氧化硅缓冲层的上表面叠接，倒脊型纳米层与高折射率半导体层的下表面叠接。这种混合表面等离子波导结构能够提高更强的局域化约束，具备了为表面等离子激励电路提供基本单元器件的条件，从而实现了更大的带宽超快数据传输。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体是一种石墨烯-半导体双脊型混合表面等离子波导结构。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons，简称SPP)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPP这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用，尤其以浙江大学与瑞典皇家理工学院阿尔芬实验室课题组合作在“Novel surface plasmon waveguide for highintegrations”一文提出的金属槽SPP波导，设计的波导结构能够实现亚波长量级的光场限制，损耗仅仅为4dB/um。然而尽管研究人员实现了将光场约束到几十纳米的量级，但设计的波导器件损耗依然很大，无法达到大规模应用的要求。《自然·光子学》在2017 年刊载了“Unidirectional photonic wire laser”一文，Ali Khalatpour合作团队报道了单向光子纳米线激光器可调的SPP激光器。然而目前SPP波导结构传播距离与局域化强度依然非常有限，达不到实现高集成光通信的要求。

目前对于双脊型SPP波导大都集中在对称双脊型波导的应用与分析，对于非对称石墨烯双脊型波导间的相互耦合作用报道较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种石墨烯-半导体双脊型混合表面等离子波导结构。这种混合表面等离子波导结构能够提高更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供基本单元器件的条件，从而能实现更大的带宽超快数据传输。

实现本发明目的的技术方案是：

一种石墨烯-半导体双脊型混合表面等离子波导结构，包括自下而上顺序叠接的二氧化硅基底、二氧化硅缓冲层和高折射率半导体层，所述二氧化硅缓冲层中自下而上设有顺序叠接的脊型金属纳米层、矩形耦合层和倒脊型纳米层，脊型金属纳米层的底部与二氧化硅缓冲层的上表面叠接，倒脊型纳米层与高折射率半导体层的下表面叠接。

所述脊型金属纳米层为Ag金属层，金属Ag与其他金属相比具有更低的损耗。

所述矩形耦合层为石墨烯材料层。

所述高折射率半导体层和倒脊型纳米层构成InGaAsP层，InGaAsP层能够为SPP 损耗提供一定的增益补偿，会在矩形耦合层处的光子局域化现象进一步提高。

入射光从侧面以任意角度衍射到波导，脊型金属纳米层与InGaAsP层发生耦合，使矩形耦合层处的场得到极大增强。

金属Ag层、InGaAsP层具有较低的增益阈值，间隙宽度较大时，这种波导结构的增益阈值能降得非常低，更容易实现低阈值的纳米激光器。

矩形耦合层处的石墨烯可以实现更低的传输损耗，产生增强效应将光主要限制在其中，从而实现高度局域化增强效应和能量约束。

这种结构通过脊型金属纳米层与倒脊型纳米层之间的相互耦合、半导体材料增益提高SPP强局域效应，能够通过调节矩形耦合层石墨烯的长宽比、脊型金属纳米层与倒脊型纳米层中脊型的厚度及脊型的宽度实现SPP模式耦合强度，可以在亚波长尺寸条件下实现低阈值出射激光的特性。