本發(fā)明屬于屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵。

背景技術(shù)：

光柵是指空間結(jié)構(gòu)或光學(xué)參量(如折射率)分布具有周期性變化的衍射系統(tǒng)，可以對光進(jìn)行反射、折射、干涉和衍射，在對光信號的調(diào)控中起到重要作用，光纖通信中，光柵在半導(dǎo)體激光器、波導(dǎo)輸入輸出耦合器、分束器、偏振分離器、濾波器、光上下路濾波器和傳感等方面均有重要的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的光柵是在光柵表面通過光刻形成刻槽，光柵制作成功后其結(jié)構(gòu)和周期保持不變，由于光柵的諧振波長只與光柵的周期和有效折射率相關(guān)，所以傳統(tǒng)的永久性光柵只能對某一固定的諧振波長附近極小范圍內(nèi)的光進(jìn)行作用，在光通信波分復(fù)用等系統(tǒng)中只能利用少量的信道，降低了通信數(shù)據(jù)的傳輸能力。為了滿足高速寬帶通信的發(fā)展需求，諧振波長可調(diào)諧光柵的研究成為必然趨勢。

目前，大多數(shù)波長可調(diào)諧光柵都是利用硅的熱光效應(yīng)和載流子色散效應(yīng)，但是硅的熱光效應(yīng)使得光信號的響應(yīng)速度慢，載流子色散效應(yīng)較弱使得光柵的諧振波長改變較小，以及硅的折射率變化會對光產(chǎn)生較大的損耗等不足，使得直接利用硅的熱光效應(yīng)和載流子色散效應(yīng)而制成的可調(diào)諧光柵器件性能不佳。由于石墨烯的折射率可通過外加電場來調(diào)控，且石墨烯的響應(yīng)速度足夠快，因此可利用石墨烯的這一特性來制作快速波長可調(diào)諧的光柵，通過改變石墨烯的折射率來改變光柵的有效折射率，從而使光柵的諧振波長發(fā)生改變，增大光柵的可調(diào)諧波長帶寬。

中紅外波段(2-20mm)是太陽光轄射光中一個(gè)重要的波段，其在各個(gè)科技領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用,包括傳感、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熱成像、軍事應(yīng)用等等。雖然中紅外光在各個(gè)領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力，然而集成光子學(xué)在中紅外波段進(jìn)展卻非常緩慢，多年來一直面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及近紅外通信波段的研究發(fā)展。

硫系玻璃是指以S，Se，Te為主并引入一定量的其它類金屬元素所形成的玻璃，它具有優(yōu)良的透中紅外和極佳的消熱差性能(見文獻(xiàn)Li L,Zou Y,Musgraves J D,et al.Chalcogenide glass planar photonics:from mid-IR sensing to 3-D flexible substrate integration[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2013,8600(4):86000K-86000K-6)。傳統(tǒng)的集成光學(xué)材料，在中紅外領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)受到限制，而硫系玻璃可以克服這方面的限制。硫系玻璃具有較長的透紅外截止波長，可覆蓋3個(gè)大氣窗口。此外，硫系玻璃作為非晶態(tài)的材料，不需要嚴(yán)格的晶格匹配，可以與任何襯底材料集成。這是其在集成光學(xué)領(lǐng)域有非常廣的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的光柵可調(diào)諧波長范圍窄，響應(yīng)速度慢等問題，而提出的一種基于硫系玻璃光波導(dǎo)—石墨烯的可調(diào)諧中紅外波導(dǎo)光柵，使同一結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)光柵在不同的電場條件下，對光波具有不同的選擇性，改變光柵的反射波長。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于硫系玻璃光波導(dǎo)—石墨烯的可調(diào)諧波導(dǎo)光柵，包括襯底，所述襯底上設(shè)置有硫系玻璃脊形光波導(dǎo)，硫系玻璃脊形光波導(dǎo)包括脊區(qū)下半部分波導(dǎo)和脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)，脊區(qū)下半部分波導(dǎo)覆蓋有包層，脊區(qū)下半部分波導(dǎo)上從下至上依次設(shè)置有第一隔離介質(zhì)層、第一石墨烯層、第三隔離介質(zhì)層、第二石墨烯層、第五隔離介質(zhì)層，脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)設(shè)置于第五隔離介質(zhì)層上；第一石墨烯層與第二石墨烯層均為叉指電極結(jié)構(gòu)，并通過電極引出，叉指電極結(jié)構(gòu)的叉指等間距周期設(shè)置。

上述技術(shù)方案中，所述第一石墨烯層和第二石墨烯層的為單層石墨烯。

上述技術(shù)方案中，叉指電極結(jié)構(gòu)設(shè)有叉指，叉指沿波導(dǎo)光傳輸方向周期分布。

上述技術(shù)方案中，硫系玻璃脊形光波導(dǎo)由除氧外的第VI族元素作為陰離子的其他金屬和非金屬元素的化合物玻璃制成。

上述技術(shù)方案中，硫系玻璃脊形光波導(dǎo)由As₂Se₃、As₂S₃或Ge₂₃Sb₇S₇₀制成。

上述技術(shù)方案中，所述第一隔離介質(zhì)層、第三隔離介質(zhì)層、第五隔離介質(zhì)層均為絕緣層。

上述技術(shù)方案中，所述絕緣層為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

上述技術(shù)方案中，所述電極的材料為金、銀、鉑或銅。

上述技術(shù)方案中，第一隔離介質(zhì)層和第三隔離介質(zhì)層之間還設(shè)有第二隔離介質(zhì)層，第二隔離介質(zhì)層與第一石墨烯層并排設(shè)置于同一層。

上述技術(shù)方案中，第三隔離介質(zhì)層和第五隔離介質(zhì)層之間還設(shè)有第四隔離介質(zhì)層，第四隔離介質(zhì)層與第二石墨烯層并排設(shè)置于同一層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、石墨烯的使用使得本發(fā)明具有可調(diào)諧波長范圍寬，對光信號響應(yīng)速度快，硫系玻璃材料的使用使得本發(fā)明便于降低中紅外光的傳輸損耗，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)設(shè)置，使得本發(fā)明可調(diào)諧中紅外波導(dǎo)光柵將具有可調(diào)諧波長范圍寬、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的永久性光柵，具有光柵諧振波長可調(diào)諧的特點(diǎn)。

2、由于石墨烯的折射率電控可調(diào)和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，相對于直接利用熱光效應(yīng)制作的波導(dǎo)光柵，具有響應(yīng)速度快，可調(diào)諧波長范圍寬的優(yōu)勢。

3、覆蓋在第一電極和第二電極芯層脊型脊區(qū)中第一石墨烯層和第二石墨烯層，通過在電極(第一電極和第二電極)上外加電場，使得石墨烯的折射率隨外加電場的變化而變化，從而在整個(gè)波導(dǎo)中，使周期性覆蓋有石墨烯的波導(dǎo)部分(指石墨烯叉指電極投影在波導(dǎo)上的那部分波導(dǎo))的有效折射率也隨電場的改變而改變，沒有石墨烯覆蓋的部分波導(dǎo)的折射率保持不變，因此在波導(dǎo)中沿光傳輸?shù)姆较蛏?，使得波?dǎo)的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性變化，形成波導(dǎo)光柵，而波導(dǎo)光柵的諧振波長只與波導(dǎo)光柵的周期和有效折射率有關(guān)，在不改變波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和周期的前提下，該波導(dǎo)光柵的諧振波長隨著外加在石墨烯上電場的變化而改變，從而形成可調(diào)諧波導(dǎo)光柵。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵的截面示意圖；

圖3是本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)中石墨烯層示意圖；

圖4是本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵的石墨烯層俯視示意圖。

圖中標(biāo)記：1-襯底，2-脊區(qū)下半部分波導(dǎo)，3-包層，5-第一隔離介質(zhì)層，6-第一石墨烯層，7-第二隔離介質(zhì)層，8-第三隔離介質(zhì)層，9-第二石墨烯層，10-第四隔離介質(zhì)層，11-第五隔離介質(zhì)層，12-電極，14-脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)，15-叉指。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，并不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的其他所用實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

結(jié)合附圖1～圖4，本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵，包括襯底1，所述襯底上為硫系玻璃光波導(dǎo)，硫系玻璃脊形光波導(dǎo)包含芯層和覆蓋在芯層外圍的包層3。

所述芯層為脊形光波導(dǎo)，所述脊形光波導(dǎo)分為脊區(qū)下半部分波導(dǎo)2和脊區(qū)上半部分矩形波導(dǎo)14，所述脊區(qū)下半部分波導(dǎo)2和脊區(qū)上半部分波導(dǎo)14之間有隔離層和石墨烯層，脊區(qū)下半部分波導(dǎo)上方從下至上依次覆蓋有第一隔離介質(zhì)層5、第一石墨烯層6、第三隔離介質(zhì)層8、第二石墨烯層9和第五隔離介質(zhì)層11。第一隔離介質(zhì)層5和第三隔離介質(zhì)層8之間還設(shè)有第二隔離介質(zhì)層7，第二隔離介質(zhì)層7與第一石墨烯層6并排設(shè)置于同一層；第三隔離介質(zhì)層8和第五隔離介質(zhì)層11之間還設(shè)有第四隔離介質(zhì)層10，第四隔離介質(zhì)層10與第二石墨烯層9并排設(shè)置于同一層。

所述第一石墨烯層和第二石墨烯層分別從兩側(cè)延伸出來并連接有電極12(包括第一電極和第二電極)。

所述的光波導(dǎo)芯層為脊形波導(dǎo)，芯層材料為硫系玻璃材料。

所述硫系玻璃材料是除氧外的第VI族元素作為陰離子的其他金屬和非金屬元素的化合物玻璃，可以是As₂Se₃、As₂S₃、Ge₂₃Sb₇S₇₀等材料。

所述第一石墨烯層和第二石墨烯層的材料為單層石墨烯。

所述單層石墨烯，沿波導(dǎo)光傳輸方向周期分布在脊形光波導(dǎo)的脊區(qū)中間。

所述襯底層和包層材料為低折射率的二氧化硅。

所述第一隔離介質(zhì)層5、第二隔離介質(zhì)層7、第三隔離介質(zhì)層8、第四隔離介質(zhì)層10和第五隔離介質(zhì)層11的材料為絕緣材料；所述絕緣材料為硅氧化物、硅氮氧化物或硼氮化物。

所述第一電極和第二電極的材料為金、銀、鉑或銅。

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維新材料，是典型的零帶隙的半導(dǎo)體，通過sp2雜化形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)，π電子在同一平面上形成離域大π鍵。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有獨(dú)一無二的性質(zhì)，作為世界上最薄的納米材料，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5300w/m.K，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達(dá)到光速的1/300，電阻率只有10^-6Ω·㎝，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料，卻有超高的力學(xué)性能，達(dá)到1060GPa，被證明為當(dāng)代最牢固的材料，同時(shí)，在石墨烯上外加一個(gè)電場，可以改變其折射率的實(shí)部和虛部，因此可將石墨烯運(yùn)用到硫系玻璃光器件中，制成性能穩(wěn)定、快速響應(yīng)和對寬帶光進(jìn)行作用的硫系玻璃光器件。

硫系玻璃是以S,Se,Te中的一種或幾種元素為玻璃組分并與其他電負(fù)性較弱的元素(如As,Sb,Ge和Si等)形成共價(jià)鍵的無機(jī)玻璃。硫系玻璃具有較寬的透射光譜,其透過范圍覆蓋了近紅外通信波段，寬的光譜范圍使硫系玻璃光波導(dǎo)可應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。

本發(fā)明的石墨烯中紅外可調(diào)諧波導(dǎo)光柵的工作原理為：脊形光波導(dǎo)層的材料為硫系玻璃材料,對1.55～3um波段光譜有比較低的波導(dǎo)損耗，石墨烯材料是一種寬光譜的吸收材料，其光學(xué)響應(yīng)的特性可以通過控制兩端電壓來改變。具體實(shí)現(xiàn)過程為，覆蓋在光波導(dǎo)芯層脊型脊區(qū)中第一石墨烯層6和第二石墨烯層9，通過在電極12上外加電場，使得石墨烯的折射率隨外加電場的變化而變化，從而在整個(gè)波導(dǎo)中，使周期性覆蓋有石墨烯的波導(dǎo)部分的有效折射率也隨電場的改變而改變，沒有石墨烯覆蓋的部分波導(dǎo)的折射率保持不變，因此在波導(dǎo)中沿光傳輸?shù)姆较蛏?，使得波?dǎo)的有效折射率隨外加電場的變化呈周期性變化，形成波導(dǎo)光柵，而波導(dǎo)光柵的諧振波長只與波導(dǎo)光柵的周期和有效折射率有關(guān)，在不改變波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和周期的前提下，該波導(dǎo)光柵的諧振波長隨著外加在石墨烯上電場的變化而改變，從而形成可調(diào)諧波導(dǎo)光柵。

結(jié)合附圖1和附圖2，本實(shí)施例硫系玻璃光波導(dǎo)光柵的襯底1的材料是二氧化硅，在二氧化硅襯底上設(shè)置芯層脊型波導(dǎo)的脊區(qū)寬度為0.6μm，脊高為0.25μm，在脊區(qū)下半部分波導(dǎo)2上鋪設(shè)有5nm厚的第一隔離介質(zhì)層5，材料為六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯層6和第二石墨烯層9均為單層石墨烯，分別鋪設(shè)在第一隔離介質(zhì)層5和第三隔離介質(zhì)層8上，所述第二隔離介質(zhì)層、第三隔離介質(zhì)層、第四隔離介質(zhì)層、第五隔離介質(zhì)層均為厚度為5nm的六方氮化硼(hBN)，所述第一石墨烯層6和第二石墨烯層9分別從兩側(cè)延伸出來連接第一電極和第二電極。

石墨烯的使用使得本發(fā)明具有可調(diào)諧波長范圍寬，對光信號響應(yīng)速度快，硫系玻璃材料的使用使得本發(fā)明便于降低中紅外光的傳輸損耗，因此用石墨烯和硫系玻璃材料制作的石墨烯硫系玻璃可調(diào)諧中紅外波導(dǎo)光柵將具有可調(diào)諧波長范圍寬、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。