[实用新型]基于石墨烯/金属混合结构的光开关

说明书

本实用新型公开了一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关，包括衬底反射层，所述衬底反射层用于反射入射光；介质层，所述介质层设在所述衬底反射层上；石墨烯层，所述石墨烯层包括至少一层石墨烯，所述石墨烯层设在所述介质层上，所述衬底反射层、所述介质层和所述石墨烯层构成电容结构；金属结构层，所述金属结构层设在所述石墨烯层上；金属电极，所述金属电极分别设于所述衬底反射层和所述石墨烯层；以及电压源，所述电压源分别与所述石墨烯层和所述金属结构层连接，通过所述电压源向所述石墨烯层施加电压以影响所述金属结构层的等离子共振效应。根据本实用新型实施例的光开关，在石墨烯层上制作金属结构层，给石墨烯施加电压改变石墨烯光学性质，影响金属结构层的等离子共振效应，从而实现光开关的功能。

技术领域

本发明涉及光开关技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯/金属混合结构的光开关。

背景技术

随着科技进步和现代化的发展，光电元件对尺寸的要求越来越精密，纳米光子学为光器件的集成化提供了可能。纳米光子学以光学近场为信息载体，通过微纳米尺寸的光学元件与近场之间的电磁相互作用，来实现对光的相位，振幅和偏振、透过率等参量进行调控。目前，对纳米尺度的光学操控主要通过两种途径，一是基于光子晶体，通过对光子晶体内部结构的控制来调控光学传输路径，从而实现光信息的传递、调制和光互连，其中典型代表有纳米微腔，光波导以及分光器件。光子晶体的结构大部分都是三维的，这对于光子晶体的设计和制作都具有很大的挑战。另一种调控光的方法是控制表面等离子激元(SurfacePlasmon Polarizations,SPP)的传播，表面等离子体激元产生于金属和介质的表面，是光和金属表面的自由电子共振所引发的混合激发态，也是一种电磁波。通过在介质上设计不同的金属结构，能够有效的激发表面等离子体波，实现等离子激元的共振效应，从而在二维平面上就能够实现对入射光的透过率、振幅、相位等参量的调控。由于设计金属和介质的结构能够实现入射光透过率的改变，我们可以设计结构来实现金属对入射光透过率的改变，当透过率分别为0和不为0时，结构对入射光能够形成光开关的作用。

石墨烯，一种由碳原子以sp2杂化方式形成的六元环平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。石墨烯是一种新型纳米材料，由于它十分良好的强度，柔韧，导电，导热，光学性质，在物理学，材料学，电子信息，计算机，航空航天等领域都得到了长足的发展。在光学领域上，我们发现，石墨烯具有折射率可调的性质。具体来说，就是通过给石墨烯施加电压，来改变石墨烯的电导率，从而实现折射率的改变。石墨烯的电导率和石墨烯的费米能级相关，通过施加电压的方式(电掺杂)能够有效的改变石墨烯的费米能级。因此，石墨烯是一个优良的电压可调控的材料。

在本发明之前，中国发明专利(CN107121793A)一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。通过在介质基底上设计金属纳米孔阵列，实现等离子激元共振。通过设计固定的孔阵列的参数，实现在一个偏振方向的入射光能共振，其他入射偏振光无共振效应，从而通过改变入射光的偏振角来实现光开光的作用。该发明采用入射偏振角的改变来实现光开关的作用，未涉及针对同一偏振入射光的光开关。

中国发明专利(CN107329209A)M*N多播传送光开关，通过低折射率差的光分路器阵列与高折射率的光开关阵列的集成，利用不同材料的波导阵列得到了多播传送光开关。该发明采用多种波导来实现开关功能，未涉及到平面结构的光开关。

中国发明专利(CN106873082A)一种开口谐振环超材料光开关，结构为陶瓷材料的基底和开口谐振环，利用光激发能够引起陶瓷材料介电常数改变的特征，使开口谐振环的谐振频率或者谐振强度发生变化，实现光开关的功能。该发明利用了入射光引起材料特性的改变，不能实现实时的开关调控。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种通过电压调控能够实时改变入射光透过率的基于石墨烯/金属混合结构的光开关。