[发明专利]基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器

说明书

本发明属于电磁波调制器技术领域，具体公开了一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，从上至下依次包括第一介质层1‑1和第一介质层1‑2、第二介质层2、基底3；第一介质层1‑1、第一介质层1‑2分别内置第三介质层4‑1、第三介质层4‑2，并分别构成介质狭缝波导；第一介质层1‑1和第一介质层1‑2之间设有石墨烯层5‑1和石墨烯层5‑2。本发明将石墨烯放置于波导层狭缝中央，在波导的狭缝之间的太赫兹波具有较强的束缚增强能力，且其电场方向与石墨烯方向平行可以实现极化匹配，从而提升器件太赫兹波与石墨烯的互作用；通过偏置层施加偏压改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的电导率，进而能够改变波导的传播损耗和传播距离，即可实现对电磁波调制深度的调节作用。

技术领域

本发明属于电磁波调制器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器。

背景技术

信息技术是各个国家各行各业发展的重要基础。信息技术的发展水平影响着我国产业的变革、科技的进步，也是我国在国际上的综合地位提高的具体表现。从全球范围来看，为了抢占信息技术发展带来的优势地位促进国家经济发展，信息技术已经成为各个国家重点投资发展的对象。近些年来，传统的电互连技术受限于高传输损耗、低传输带宽以及大体积等缺点，已逐渐不能适应网络通信呈指数增长趋势的数据量。为了提升通信系统的传输带宽、降低传输损耗，光互连技术被提出并被逐渐发展起来。目前，光学调制器作为光互连技术的关键组成之一，已经在国内外欣起了研究的热潮。

石墨烯(Graphene)是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维材料，其独特的晶体结构赋予石墨烯非凡的电子，光学，热学和机械性能，被认为是从太赫兹到中红外光谱区域最有希望的等离子体激元材料之一。此外，石墨烯电导率可以通过静电门控或化学掺杂的方式进行调节，从而改变石墨烯的材料性质，因此使得基于石墨烯的调制器成为可能。目前，国内外已经研究了许多基于石墨烯的光学器件，包括光电探测器，超快激光器，偏振控制器，转换光学器件及等离子体激元波导调制器等。例如，2011年LiuM等人发表在Nature上的论文(LiuM,YinX,Ulin-AvilaE,GengB,ZentgrafT,JuL,etal.Agraphene-basedbroadband opticalmodulator.Nature,474:64–7,2011)提出了一种基于石墨烯的集成硅波导光学调制器，实现了0.1dB/μm的调制深度；2021年，叶龙芳等人发表在Nanoscale上的论文(L.Ye,K.Sui,Y.Zhang,andQ.H.Liu,Broadbandopticalwaveguidemodulatorsbasedonstronglycoupled hybridgrapheneandmetalnanoribbonsfornear-infraredapplications,Nanoscale,11:3229-3239,2019.)，表明将石墨烯放置于波导结构中场强最大处可实现高调制深度的波导调制器，可以实现3.12dB/μm调制深度。然而，在太赫兹波段的光学调制器研究较少，且调制效果不够理想。例如，在2015年，AndreaLocatelli在IEEETRANSACTIONSONTERAHERTZ SCIENCEANDTECHNOLOGY上发表一种在工作在1THz的调制器，其调制效率为43％；而2017年，MartinMittendorff等人发表在ACSPhotonics上的文章表明将石墨烯整合在波导的中心，调制效率提升到50％。目前光学调制器的调制深度的增加主要是以增大插入损耗和加大石墨烯的驱动电压为代价，但是随着通信技术的飞速发展，一种具有低插入损耗、高调制深度且能够兼容CMOS工艺平台的光学调制器的需求极为迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于石墨烯的太赫兹狭缝波导调制器，本发明通过将石墨烯放置于波导层狭缝中央，在波导的狭缝之间的太赫兹波具有较强的束缚增强能力，且其电场方向与石墨烯方向平行可以实现极化匹配，从而提升器件太赫兹波与石墨烯的互作用；通过偏置层施加偏压改变石墨烯的化学势改变石墨烯的电导率，进而改变波导的传播损耗和传播距离，实现对电磁波调制深度的调节作用。