[发明专利]基于石墨烯表面等离子激元的光学半加器

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，包括基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导，这些波导分别由三层波导层叠形成，且其底层波导材料为二氧化硅，中层波导材料为石墨烯，上层波导材料为二氧化硅，控制第一微环谐振腔、第二微环谐振腔和第三微环谐振腔的谐振与失谐，从而在光学半加器的第一输出端和第二输出端准确的得到相应的逻辑值；优点是采用石墨烯表面等离子激元作为传输媒介，能够有效的突破光学衍射对器件尺寸的限制，排列紧凑，尺寸较小，便于操控，利于大规模的片上集成。

主权项

1.一种基于石墨烯表面等离子激元的半加器，其特征在于包括基底、缓冲层、第一直波导、第二直波导、第三直波导、第四直波导、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第三微环谐振腔、弧度为180度的半圆环形波导和弧度为90度的四分之一圆环形波导；所述的基底和所述的缓冲层均为长方体结构且两者尺寸完全相同，所述的缓冲层叠在所述的基底上，所述的缓冲层的下表面与所述的基底的上表面贴合并固定，将所述的缓冲层的长边延伸方向作为左右方向，将所述的缓冲层的宽边延伸方向作为前后方向；所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导平铺在所述的缓冲层的上表面，所述的第一直波导、所述的第四直波导和所述的第三直波导按照从后往前的顺序平行间隔设置，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的长边分别平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边分别平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的长边平行于所述的缓冲层的宽边，所述的第二直波导的宽边平行于所述的缓冲层的长边，所述的第一直波导、所述的第二直波导、所述的第三直波导和所述的第四直波导的宽边长度均为30nm，所述的第一直波导的长边长度等于所述的缓冲层的长边长度，所述的第一直波导的左端与所述的缓冲层的左端齐平，所述的第一直波导的右端与所述的缓冲层的右端齐平，所述的第二直波导的长边长度为266nm，所述的第三直波导的长边长度为340nm，所述的第四直波导的长边长度为250nm，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔按照从左向右的方向间隔平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的第一微环谐振腔、所述的第二微环谐振腔和所述的第三微环谐振腔的内圈半径均为70nm，外圈半径均为100nm；所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心连线平行于所述的第一直波导的长边，所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔的中心距离为420nm，所述的第二微环谐振腔与所述的第三微环谐振腔的中心距离为310nm，所述的第一微环谐振腔位于所述的第二直波导的左侧和所述的第一直波导的前侧，当所述的第二直波导向左平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第一微环谐振腔的外壁相切，所述的第二微环谐振腔位于所述的第一直波导和所述的第四直波导之间，当所述的第一直波导向前平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，当所述的第四直波导向后平行移动6nm时将与所述的第二微环谐振腔的外壁相切，所述的第三微环谐振腔位于所述的第一直波导的前侧，当所述的第一直波导向前平行移动10nm时将与所述的第三微环谐振腔的外壁相切，所述的半圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的半圆环形波导的内圈半径为70nm，外圈半径为100nm；所述的第三直波导的右端和所述的第四直波导的右端位于同一平面上，所述的第三直波导的右端和第四直波导的右端通过所述的半圆环形波导连接，所述的半圆环形波导的一端和所述的第三直波导的右端重合，所述的半圆环形波导的另一端和所述的第四直波导的右端重合，所述的第二直波导的后端伸到所述的第一微环谐振腔和所述的第二微环谐振腔之间，所述的第二直波导的后端与所述的第一直波导的前端之间的距离为46nm，所述的四分之一圆环形波导平铺在所述的缓冲层的上表面上，所述的四分之一圆环形波导的内圈半径为70nm，所述的四分之一圆环形波导的外圈半径为100nm，所述的第二直波导的前端和所述的第三直波导的左端通过所述的四分之一圆环形波导连接，所述的四分之一圆环形波导的一端和所述的第二直波导的前端重合，所述的四分之一圆环形波导的另一端和所述的第三直波导的左端重合，所述的第一直波导的左端为所述的光学半加器的输入端，所述的第一直波导的右端为所述的光学半加器的第一输出端，所述的光学半加器的第一输出端用于输出进位信号，所述的第四直波导的左端为所述的光学半加器的第二输出端，所述的光学半加器的第二输出端用于输出和信号；所述的第一直波导的后端与所述的缓冲层的后端之间具有一段距离，所述的第一微环谐振腔的左端与所述的缓冲层的左端之间具有一段距离，所述的第三微环谐振腔的右端与所述的缓冲层的右端之间具有一段距离，所述的第三直波导的前端与所述的缓冲层的前端之间具有一段距离；所述的第一直波导由第一底层直波导、第一中层直波导和第一上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层直波导的厚度为20nm，所述的第一中层直波导的材料为石墨烯，所述的第一中层直波导的厚度为1nm，所述的第一上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层直波导的厚度为20nm；所述的第二直波导由第二底层直波导、第二中层直波导和第二上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层直波导的厚度为20nm，所述的第二中层直波导的材料为石墨烯，所述的第二中层直波导的厚度为1nm，所述的第二上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层直波导的厚度为20nm；所述的第三直波导由第三底层直波导、第三中层直波导和第三上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层直波导的厚度为20nm，所述的第三中层直波导的材料为石墨烯，所述的第三中层直波导的厚度为1nm，所述的第三上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层直波导的厚度为20nm；所述的第四直波导由第四底层直波导、第四中层直波导和第四上层直波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第四底层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四底层直波导的厚度为20nm，所述的第四中层直波导的材料为石墨烯，所述的第四中层直波导的厚度为1nm，所述的第四上层直波导的材料为二氧化硅，所述的第四上层直波导的厚度为20nm；所述的第一微环谐振腔由第一底层环形波导、第一中层环形波导和第一上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第一底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一底层环形波导的厚度为20nm，所述的第一中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第一中层环形波导的厚度为1nm，所述的第一上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第一上层环形波导的厚度为20nm；所述的第二微环谐振腔由第二底层环形波导、第二中层环形波导和第二上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第二底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二底层环形波导的厚度为20nm，所述的第二中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第二中层环形波导的厚度为1nm，所述的第二上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第二上层环形波导的厚度为20nm；所述的第三微环谐振腔由第三底层环形波导、第三中层环形波导和第三上层环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的第三底层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三底层环形波导的厚度为20nm，所述的第三中层环形波导的材料为石墨烯，所述的第三中层环形波导的厚度为1nm，所述的第三上层环形波导的材料为二氧化硅，所述的第三上层环形波导的厚度为20nm；所述的半圆环形波导由底层半圆环形波导、中层半圆环形波导和上层半圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层半圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层半圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层半圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层半圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层半圆环形波导的厚度为20nm；所述的四分之一圆环形波导由底层四分之一圆环形波导、中层四分之一圆环形波导和上层四分之一圆环形波导通过CMOS兼容工艺按照从下到上的顺序层叠连接形成，所述的底层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的底层四分之一圆环形波导的厚度为20nm，所述的中层四分之一圆环形波导的材料为石墨烯，所述的中层四分之一圆环形波导的厚度为1nm，所述的上层四分之一圆环形波导的材料为二氧化硅，所述的上层四分之一圆环形波导的厚度为20nm。