[发明专利]石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的偏振器及其制备方法

说明书

一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域。本发明采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为光波导的包层和芯层材料，利用有机聚合物材料加工工艺简单、灵活等优势，将单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间，充分提高波导中的光场与石墨烯薄膜的相互作用，进而根据石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性将其中一种偏振光过滤掉。同时，本发明提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，并且与传统的半导体工艺相兼容，易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。

本申请是中国专利“一种基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法”的分案申请，原专利的申请号：201911116528.4，申请日：2019-11-15，申请人：吉林大学，申请公布号：CN 110780374 A，申请公布日：2020.02.11。

技术领域

本发明属于聚合物平面光波导器件及其制备技术领域，具体涉及一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法。

背景技术

光纤通讯具有传输容量大、频带宽、传输损耗小和抗电磁干扰能力强等优点，近年来得以快速发展，而光纤通信技术的发展很大程度上依赖于各种光纤器件和光学器件的发展，其中偏振器是一种非常重要的光学器件，在集成光学和光纤通信系统中占用重要的地位，因为有些光学器件需要在单一模式下工作，进而保证系统的准确率和减少编码解码过程。为了满足集成光学和光纤通信技术发展的要求，偏振器逐渐向小型化、集成化、高消光比和低损耗等方向发展，其性能的好坏将影响整个光网路的性能。

与传统的光纤偏振器相比，基于光波导结构的偏振器在实现器件小型化和集成化方面更具优势，目前制备光波导偏振器件的材料主要为无机材料，人们主要通过对波导材料和波导结构的优化来提高器件性能。而与无机材料相比，有机聚合物材料具有价格低廉、制备工艺简单且灵活等优势，因而越来越受到人们的广泛关注。

此外，石墨烯作为近年来新兴的一种二维原子晶体薄膜材料，凭借着其卓越的电子、热学、光学和力学特性，在微纳光电子器件、复合材料、能源以及传感器件等诸多领域具有重要的应用前景。特别是石墨烯的透光特性，使其在透明导电薄膜领域具有重要应用，实验表明，单层石墨烯对光的吸收仅2.3％。本发明将结合石墨烯优异的物理、化学、机械和光学特性，以及有机聚合物材料的加工工艺灵活性，提出基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器。

本发明将利用石墨烯优异的物理、化学、机械和光学特性，并结合有机聚合物材料的加工灵活性，将单层石墨烯掩埋在有机聚合物光波导的内部，利用石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性来研究基于石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，具体采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为光波导的包层和芯层材料，利用有机聚合物材料加工工艺简单、灵活等优势，将石墨烯薄膜掩埋在聚合物光波导的内部，充分提高波导中的光场与石墨烯薄膜的相互作用，进而根据石墨烯材料对不同偏振光的吸收特性将其中一种偏振光过滤掉。同时，本发明提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，并且与传统的半导体工艺相兼容，易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

如附图1所示，一种单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导结构的偏振器，其特征在于：整个器件为基于矩形结构光波导芯层的直波导，从左到右，由输入直波导1、单层石墨烯薄膜置于光波导芯层中间的石墨烯/聚合物混合波导202和输出直波导3构成，输入直波导1和输出直波导3的长度b₁和b₁＇相同为0～1.0cm，石墨烯/聚合物混合波导202的长度b₂为0.1～1.5cm；