[发明专利]一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，该传输耦合效率可调控，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；本发明可改变石墨烯等离激元极化波和hBN声子极化波的动量匹配条件，从而调控极化波之间的传输耦合效率；当调控石墨烯费米能达到两种极化波动量匹配点时，极化波之间的耦合效率可达到100％，实现100％透射。

技术领域

本发明涉及光子集成回路技术领域，特别涉及一种等离激元极化波和声子极化波波导在石墨烯/hBN面内异质结上传输耦合的装置及方法。

背景技术

光子集成回路可以克服光学衍射极限，将器件尺度极大缩小，可以实现纳米尺度上集成，同时其借助光信号进行信息传输，极大降低了传输过程中损耗，为在互联光路、光计算等功能方面显现出巨大的潜力和优势，有可能是取代“集成电路”的新一代信息技术的重要支柱。

石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的电学和光学等特性，在光电器件和光子集成回路领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯上会支持等离激元极化波模式，这是自由空间中入射光子和石墨烯上的电子耦合形成的。石墨烯等离激元可以将空间中光束缚在纳米尺度上，实现高局域的电磁波导模式，有利于实现更小尺寸上光子集成回路。石墨烯等离激元极化波也容易被调控，通过加栅压或者化学掺杂方式改变其费米能实现。石墨烯电导率可以由Kubo方程给出，介电函数通过电导率计算得来。(Nanoscale,2017,9(39):14998-15004.)

hBN(氮化硼)是层状范德华晶体，其由各个原子平面通过范德华弱相互作用力耦合在一起。hBN是天然低损耗的红外双曲材料，在它的上剩余射线带(1370-1610cm^-1)和下剩余射线带(780-830cm^-1)内支持声子激元极化波。声子极化波是自由空间中的光子与hBN中的声子发生耦合形成的，其具有低损耗长距离传输的优势。它的电磁波导模式依赖于hBN的厚度，主要分布材料体内和表面，也可以实现将光束缚在纳米尺度内，有利于实现更小尺寸上光子集成回路。hBN的介电函数通过第一性原理推导计算得来，可参考(Nano letters,2015,15(5):3172-3180.)。

石墨烯/hBN面内异质结可以通过化学气相沉积手段进行生长，面内异质结的制备，为未来实现更小尺度的纳米集成电路和纳米集成光子回路奠定了材料的基础。然而，在几层甚至单层原子尺度上，波导模式分析和极化波的传导一直存在着极大的挑战。因此发明了一种在石墨烯/hBN面内异质结上高效调控极化波波导的传输耦合的方法。

发明内容

本发明的技术方案：一种基于面内异质结的极化波波导传输耦合装置，所述装置传输耦合效率可调控，所述装置自下而上依次包括设置的衬底、电介质层、石墨烯/hBN面内异质结薄膜；

其中，所述电介质层沉积在衬底上，石墨烯/hBN面内异质结薄膜覆盖于电介质层上；

设置偏置电压源，所述偏置电压源的一极加在衬底上，另一极加在石墨烯上。

优选的，所述石墨烯/hBN面内异质结薄膜是通过化学气相沉积法制备出来的，其上面支持的极化波可以用散射型近场光学显微镜或者棱镜耦合的方式激发和探测的。

优选的，所述衬底的材料包括Si，用于作为导电栅极层；

所述电介质层的材料包括SiO2,MgF2，CaF2，BaF2，空气材料，所述电介质层的厚度范围为10nm～3000nm；

所述偏置电压源的金属材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，其中金属材料的宽度和长度范围为10nm～2×10⁷nm，厚度范围为5nm～3×10⁶nm。