[发明专利]基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法

说明书

本发明涉及集成光学技术领域，为提出一种新的偏振光耦合器，本发明，基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法，由石墨烯纳米带、纳米线、反锥形光耦合器、和波导构成；所述的纳米线与反锥形光耦合器相连，反锥形光耦合器与波导相连，用于实现外部光源与波导之间的偏振光耦合；纳米线中的传播光通过倏逝场形式与石墨烯纳米带发生相互作用；通过设计石墨烯纳米带和纳米线的几何尺寸调控纳米线顶部的倏逝场的强度分布，使得横电模的光场强度远远小于横磁模的光场强度，石墨烯纳米带对纳米线中横磁模光场的吸收远大于对横电模光场的吸收，最终实现对波导的横电模光场耦合。本发明主要应用于设计制造场合。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯的波导集成的偏振光耦合器及其制作方法。

背景技术

石墨烯是一种新型的二维材料，具有很多独特的光学和光电特性，例如：超高的载流子迁移率，零带隙，高非线性特性等，因此在光互联，光通信和非线性光学等方面具有巨大的应用前景。近年来，科研工作者将石墨烯与硅基集成光路相结合，开发出了很多新型的石墨烯/硅混合集成器件。在这类器件中，在硅波导中传播的光可以通过倏逝波与表面集成的石墨烯发生平面的相互作用。这种结构的优点是：在利用单原子层石墨烯独特的物理特性的同时，不会受到光与物质相互作用较弱的局限性。另外，石墨烯还具有成本低，可大批量制造，易于与片上其他器件集成等优点，因此，石墨烯/硅混合集成光路被认为是传统硅基光子集成平台的优秀替代品之一。在过去几年中，石墨烯/硅混合集成器件的研究已取得了众多研究成果，包括电光器件调制器，高速和宽带光电探测器，和高非线性波导等。

偏振器是集成光学中的一种关键器件，在近些年一直受到关注和研究，特别是基于石墨烯的波导集成的偏振器是近年来的一个热门研究领域。在这类器件中，石墨烯纳米器件被设计制作在光子芯片上，使其可以选择性地与横电模(TE)或横磁模(TM)发生相互作用，导致石墨烯纳米器件对波导内某一偏振光(TE模或者TM模)产生强烈的吸收。到目前为止，人们已经开发了很多种石墨烯偏振器。首次关于基于石墨烯的波导集成的偏振器的报道发表于2012年，J.T.Kim等人在聚合物波导上基于石墨烯制作了TE模偏振器(OpticsExpress20,3556-3562，2012)，并于2018年实现了此类偏振器的偏振调控(LaserPhotonics Reviews12,1800142，2018)；2014年，W.Lim等人研制出基于氧化石墨烯的波导集成的TE模偏振器(Optics Express22,11090-11098，2014)；2015年，X.Yin等人设计了嵌入硅基波导槽中的多层石墨烯TE模偏振器(Optics Letters40,1733-1736，2015)，并于2016年提出用级联多个石墨烯纳米器件来替代多层石墨烯结构(Journal of LightwaveTechnology34,3181-3187，2016)；2015年，C.Pei等人研制出了一种石墨烯/玻璃混合波导TE模偏振器(IEEE Photonics Technology Letters27,927-930，2015)；2017年X.Hu等人研制出一种紧凑型TM模偏振器(IEEE Photonics Journal.9,1-10，2017)。在专利方面，2015年，电子科技大学陆荣国等人通过在石墨烯纳米器件两端施加驱动电压调控波导，实现对TM模和TE模选择性的吸收，并申请了中国发明专利(201410824188.1)。然而，过去的工作通常面临器件加工制作困难，以及对传输光高插入损耗的问题，因此，基于石墨烯的波导集成的偏振器的研究仍不成熟。

发明内容