[发明专利]一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种耦合装置及方法，包括衬底、绝缘层、第一超表面结构、第二超表面结构和第三超表面结构、石墨烯层，第一超表面结构、第二超表面结构、第三超表面结构分别包括沿X方向周期性布置的第一单元、第二单元、第三单元；耦合装置的几何参数包括第一超表面结构、第二超表面结构、第三超表面结构各自的折射率、周期和厚度；几何参数被配置为入射光射向石墨烯层时，第三超表面结构和第一超表面结构分别将入射光透射和反射至第二超表面结构，使入射光在第二超表面结构内传播，入射光入射方向和入射光在第二超表面结构内的传播方向所在平面与XOY面垂直，入射方向与传播方向夹角为钝角。本发明具有大带宽、耦合效率高的优点。

技术领域

本发明涉及光子集成芯片技术领域，具体涉及一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置及制备方法。

背景技术

在光子集成芯片中，光耦合装置是非常重要的集成器件之一，它可以将外部空间光耦合进入到光子芯片内部。光耦合器有水平耦合和垂直耦合两种主流方式，其中垂直耦合方式具有对准容差大、测试方便、制备工艺简单等优点。

目前基于衍射原理的单层垂直耦合光栅，可以根据入射光的波长不同进行光栅周期的设计，但是，这种方式仍然面临耦合效率低、对入射光波长敏感等问题。

而多层光栅结构虽然可以提高耦合效率，但是工作波长较小。

因此，有必要提出一种大带宽、耦合效率高的垂直耦合器。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置，具有大带宽、耦合效率高的优点。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置，其包括：

衬底，其长度、宽度、高度方向分别定义为X、Y、Z方向；

形成于所述衬底上的绝缘层；

位于所述绝缘层内且自下而上布置的第一超表面结构、第二超表面结构和第三超表面结构，所述第一超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第一单元，所述第二超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第二单元，所述第三超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第三单元；

形成于所述绝缘层上表面的石墨烯层；同时，

所述耦合装置的几何参数包括第一超表面结构的折射率、周期和厚度，第二超表面结构的折射率、周期和厚度，以及第三超表面结构的折射率、周期和厚度；

所述几何参数被配置为：当入射光射向所述石墨烯层时，所述第三超表面结构将入射光透射至所述第二超表面结构，所述第一超表面结构将入射光反射至所述第二超表面结构，并使得入射光在所述第二超表面结构内传播，入射光的入射方向和入射光在所述第二超表面结构内的传播方向所在平面与XOY平面垂直，且所述入射方向与所述传播方向夹角为钝角。

进一步地，所述几何参数还包括所述第二超表面结构与第一超表面结构之间的间距以及所述第二超表面结构与第三超表面结构之间的间距。

进一步地，所述几何参数还包括所述第一超表面结构的占空比、第二超表面结构的占空比和第三超表面结构的占空比。

进一步地，所述第三超表面结构的折射率小于等于所述第二超表面结构的折射率，且所述第三超表面结构的折射率大于所述绝缘层的折射率。

进一步地，所述第三超表面结构的折射率为1.8～4.2，所述第二超表面结构的折射率为1.8～4.2，所述绝缘层的折射率为1.0～2.5。

进一步地，所述石墨烯层厚度为0.35～3.5nm。

进一步地，所述绝缘层上表面朝所述第三超表面结构凹陷并形成用于入射光入射的减薄区。