一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置

摘要

本发明公开了一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置，其特征是，包括顺序叠接的硅基层、石墨烯层、玻璃层和石墨烯带阵列层；所述硅基层的上表面刻蚀有周期光栅结构，所述玻璃层的厚度小于二分之一石墨烯层厚度。这种装置能够提供更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供光源基础，从而实现更大的带宽超快数据传输。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体是一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,简称SPP)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPP这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用。石墨烯能够传播SPP特性已经被一个无限长的由量子点包裹的石墨烯纳米带理论证明。《Nature Photonics 》在2013年7卷第11期883–896页上连续登载了3篇关于石墨烯SPP器件的研究： 美国麻省理工大学的Dirk Englund团队设计了一种超快石墨烯光检测器，其响应比现有的光检测器快16倍，带宽可达到1450-1590nm；奥地利维也纳技术大学的Thomas Mueller团队制作了一种带宽范围达到1310-1650nm的运行频率数亿Hz石墨烯光检测器，其囊括了目前光纤通讯系统用到的所有带宽范围，响应速度比现有光检测器快8倍以上；香港中文大学的Xiao课题组研制出一种在中红外波段频率运行的高响应速度石墨烯光敏二极管，其可潜在应用于环境中化学物质的监测以及具有医学测试用途的集成芯片红外光谱技术。这三项研究成果展现了石墨烯在光电子器件方面的令人兴奋的潜力。石墨烯的独特光电属性以及现有集成电路制造技术的可利用性使得石墨烯有可能很快取代锗元素和复合半导体在高性能器件中的位置。然而目前石墨烯目前还处于研发阶段，各国对于这个新兴材料和相应器件还处于一个专利布局期。

通过检索和查新发现，目前对于局域SPP和传导SPP的研究大都集中在其中一类现象的特性分析，对于他们之间的相互作用报道较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置。这种装置能够提供更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供光源基础，从而实现更大的带宽超快数据传输。

实现本发明目的的技术方案是：

一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置，包括顺序叠接的硅基层、石墨烯层、玻璃层和石墨烯带阵列层。

所述硅基层的上表面刻蚀有周期光栅结构。

所述玻璃层的厚度小于二分之一石墨烯层的厚度，这样能够为局域SPP和传导SPP模式之间近场耦合提供足够的相互作用距离。

通过调节玻璃层的厚度、石墨烯带阵列层和周期光栅结构控制局域SPP和传导SPP模式耦合强度。

入射光从玻璃层以大于表面等离子产生共振的角度衍射到石墨烯带阵列层与玻璃界层面产生传导SPP，由于周期光栅衍射作用，又会在周期光栅结构层与石墨烯层之间产生局域SPP，这样会在石墨烯层中出现局域SPP和传导SPP相互作用的特性。由于局域SPP和传导SPP的相互作用，会显著增强出射光功率，从而在玻璃层出射强激光。

所述的石墨烯带阵列层通过等离子体刻蚀工艺制作，制得的石墨烯带阵列层石墨烯的层数和宽度可以通过选择不同层数的碳纳米管和控制刻蚀时间来调控，通过改变石墨烯纳米带的宽度能够调节SPP的共振频率。

所述的硅基层的周期光栅结构能够实现入射光和SPP相位匹配，能够促进激发表面等离子共振现象，从而产生局域SPP。

这种装置采用玻璃棱镜衍射和周期光栅结构激发SPP，采用了导热和导电效率高的石墨烯材料增强SPP强局域效应，能够通过调节玻璃厚度、石墨烯阵列和光栅周期实现控制局域SPP和传导SPP模式耦合强度，可以在亚波长尺寸条件下实现出射强激光的特性，这种装置能够提供更强的局域化约束，具备为表面等离子激励电路提供光源基础，从而实现更大的带宽超快数据传输。

这种装置可以为表面等离子领域提供高性能的微腔和可集成的新型有源器件。

附图说明

图1为实施例的结构示意图.

图中，1.硅基层 2.石墨烯层 3.玻璃层 4.石墨烯带阵列层 5.周期光栅结构6.入射光 7.出射激光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步阐述说明，但不是对本发明限定。

实施例：

参照图1，一种多层石墨烯控制局域SPP和传导SPP相互作用的装置，包括顺序叠接的硅基层1、石墨烯层2、玻璃层3和石墨烯带阵列层4；

所述的硅基层1的上表面刻蚀有周期光栅结构5。

所述玻璃层3的厚度小于二分之一石墨烯层2厚度，这样能够为局域SPP和传导SPP模式之间近场耦合提供足够的相互作用距离。

通过调节玻璃层3的厚度、石墨烯带阵列层4和周期光栅结构5控制局域SPP和传导SPP模式耦合强度。

入射光6从玻璃层3以大于表面等离子产生共振的角度衍射到石墨烯带阵列层4与玻璃层3面产生传导SPP，在玻璃层3和周期光栅结构层5作用下，会在周期光栅结构层5与石墨烯层2之间产生局域SPP，从而在石墨烯层2中出现局域SPP和传导SPP相互作用的特性。由于局域SPP和传导SPP的相互作用，会显著增强出射光功率，从而在玻璃层3射出强出射激光7。

所述的石墨烯带阵列层4通过等离子体刻蚀工艺制作，制得的石墨烯带阵列层4石墨烯的层数和宽度可以通过选择不同层数的碳纳米管和控制刻蚀时间来调控，通过改变石墨烯带阵列层4中石墨烯纳米带的宽度能够调节SPP的共振频率。

所述的硅基层1的周期光栅结构5能够实现入射光6和SPPs相位匹配，能够促进激发表面等离子共振现象，从而产生局域SPP。