阅读说明：本技术 一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置及制备方法 (Coupling device based on graphene and super-surface structure and preparation method ) 是由 胡晓 肖希 张宇光 陈代高 李淼峰 王磊 冯朋 余少华 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耦合装置及方法,包括衬底、绝缘层、第一超表面结构、第二超表面结构和第三超表面结构、石墨烯层,第一超表面结构、第二超表面结构、第三超表面结构分别包括沿X方向周期性布置的第一单元、第二单元、第三单元；耦合装置的几何参数包括第一超表面结构、第二超表面结构、第三超表面结构各自的折射率、周期和厚度；几何参数被配置为入射光射向石墨烯层时,第三超表面结构和第一超表面结构分别将入射光透射和反射至第二超表面结构,使入射光在第二超表面结构内传播,入射光入射方向和入射光在第二超表面结构内的传播方向所在平面与XOY面垂直,入射方向与传播方向夹角为钝角。本发明具有大带宽、耦合效率高的优点。(The invention discloses a coupling device and a coupling method, which comprise a substrate, an insulating layer, a first super-surface structure, a second super-surface structure, a third super-surface structure and a graphene layer, wherein the first super-surface structure, the second super-surface structure and the third super-surface structure respectively comprise a first unit, a second unit and a third unit which are periodically arranged along the X direction; the geometrical parameters of the coupling device comprise the refractive index, the period and the thickness of the first super-surface structure, the second super-surface structure and the third super-surface structure respectively; the geometrical parameters are configured in such a way that when incident light irradiates the graphene layer, the third super-surface structure and the first super-surface structure respectively transmit and reflect the incident light to the second super-surface structure, so that the incident light is transmitted in the second super-surface structure, the incident light incident direction and the transmission direction of the incident light in the second super-surface structure are perpendicular to the XOY plane, and the included angle between the incident direction and the transmission direction is an obtuse angle. The invention has the advantages of large bandwidth and high coupling efficiency.)

一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置及制备方法

技术领域

本发明涉及光子集成芯片技术领域，具体涉及一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置及制备方法。

背景技术

在光子集成芯片中，光耦合装置是非常重要的集成器件之一，它可以将外部空间光耦合进入到光子芯片内部。光耦合器有水平耦合和垂直耦合两种主流方式，其中垂直耦合方式具有对准容差大、测试方便、制备工艺简单等优点。

目前基于衍射原理的单层垂直耦合光栅，可以根据入射光的波长不同进行光栅周期的设计，但是，这种方式仍然面临耦合效率低、对入射光波长敏感等问题。

而多层光栅结构虽然可以提高耦合效率，但是工作波长较小。

因此，有必要提出一种大带宽、耦合效率高的垂直耦合器。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置，具有大带宽、耦合效率高的优点。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置，其包括：

衬底，其长度、宽度、高度方向分别定义为X、Y、Z方向；

形成于所述衬底上的绝缘层；

位于所述绝缘层内且自下而上布置的第一超表面结构、第二超表面结构和第三超表面结构，所述第一超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第一单元，所述第二超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第二单元，所述第三超表面结构包括沿X方向周期性间隔布置的第三单元；

形成于所述绝缘层上表面的石墨烯层；同时，

所述耦合装置的几何参数包括第一超表面结构的折射率、周期和厚度，第二超表面结构的折射率、周期和厚度，以及第三超表面结构的折射率、周期和厚度；

所述几何参数被配置为：当入射光射向所述石墨烯层时，所述第三超表面结构将入射光透射至所述第二超表面结构，所述第一超表面结构将入射光反射至所述第二超表面结构，并使得入射光在所述第二超表面结构内传播，入射光的入射方向和入射光在所述第二超表面结构内的传播方向所在平面与XOY平面垂直，且所述入射方向与所述传播方向夹角为钝角。

进一步地，所述几何参数还包括所述第二超表面结构与第一超表面结构之间的间距以及所述第二超表面结构与第三超表面结构之间的间距。

进一步地，所述几何参数还包括所述第一超表面结构的占空比、第二超表面结构的占空比和第三超表面结构的占空比。

进一步地，所述第三超表面结构的折射率小于等于所述第二超表面结构的折射率，且所述第三超表面结构的折射率大于所述绝缘层的折射率。

进一步地，所述第三超表面结构的折射率为1.8～4.2，所述第二超表面结构的折射率为1.8～4.2，所述绝缘层的折射率为1.0～2.5。

进一步地，所述石墨烯层厚度为0.35～3.5nm。

进一步地，所述绝缘层上表面朝所述第三超表面结构凹陷并形成用于入射光入射的减薄区。

进一步地，所述绝缘层包括下绝缘层和形成于所述下绝缘层上的上绝缘层，所述第一超表面结构位于所述下绝缘层内，所述第二超表面结构和第三超表面结构位于所述上绝缘层内，

所述下绝缘层采用BCB胶制作而成，所述上绝缘层采用绝缘材料制作而成。

进一步地，所述衬底采用金属材料，和/或，

所述第一超表面结构采用金属材料，和/或，

所述第二超表面结构采用绝缘材料，和/或，

所述第三超表面结构采用绝缘材料。

本发明还提供了一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置的制备方法，包括如下步骤：

在所述衬底上制备第一超表面结构；

在所述第一超表面结构上沉积第一层；

在所述第一层上制备第二超表面结构；

在所述第二超表面结构上沉积第二层；

在第二层上制备第三超表面结构；

在所述第三超表面结构上沉积第三层，且第一层、第二层与第三层共同形成所述绝缘层；

在所述第三层上形成石墨烯层，得到所述耦合装置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过对第二超表面结构和第三超表面结构进行折射率、周期和厚度的调节，降低耦合区模式有效折射率，降低耦合区色散，并在表面敷设一层石墨烯层，借助石墨烯层的超宽带光波长响应(可见光到太赫兹波段)、与光的强相互作用、电导率可调、超快载流子迁移速率等性能，使得耦合装置对入射光的波长不敏感，同时，第一超表面结构具有反射功能，能够提高入射光的耦合效率。

本发明由于具有一层石墨烯层，通过外部泵浦光源可调节石墨烯的费米能级，继而改变石墨烯光学性质，使得耦合装置的模式有效折射率可调节，这一改变将会实现耦合中心波长可调。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于石墨烯和超表面结构的耦合装置结构示意图；

图2为图1中A-A处剖面图；

图3为图1中B-B处剖面图；

图4为图1中C-C处剖面图。

图中：1、衬底；2、绝缘层；20、上绝缘层；21、下绝缘层；3、第一超表面结构；30、第一单元；4、第二超表面结构；40、第二单元；5、第三超表面结构；50、第三单元；6、石墨烯层；7、减薄区。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图4所示，本发明实施例提供了一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置，该耦合装置包括衬底1、绝缘层2、第一超表面结构3、第二超表面结构4、第三超表面结构5和石墨烯层6；

将衬底1的长度、宽度、高度方向分别定义为X、Y、Z方向，并建立坐标系；

绝缘层2形成于衬底1上；

第一超表面结构3、第二超表面结构4和第三超表面结构5位于绝缘层2内且自下而上依次布置，第一超表面结构3包括沿X方向周期性间隔布置的第一单元30，第二超表面结构4包括沿X方向周期性间隔布置的第二单元40，第三超表面结构5包括沿X方向周期性间隔布置的第三单元50；

石墨烯层6形成于绝缘层2上表面；同时，

耦合装置的几何参数包括第一超表面结构3的折射率、周期Λ₁和厚度h₁，第二超表面结构4的折射率、周期Λ₂和厚度h₂，以及第三超表面结构5的折射率、周期Λ₃和厚度h₃；

几何参数被配置为：当入射光以θ(θ为锐角)射向石墨烯层6时，第三超表面结构5将入射光透射至第二超表面结构4，第一超表面结构3将入射光反射至第二超表面结构4，并使得入射光在第二超表面结构4内传播，入射光的入射方向和入射光在第二超表面结构4内的传播方向所在平面与XOY平面垂直，且入射方向与传播方向夹角为钝角。

耦合器1dB带宽近似公式如下：

由于n_eff(λ₀)-sinθ＞0，使用更低的模式有效折射率n_eff(λ)和更低的色散结构带宽Δλ_1dB将会增加，从而使得耦合器对波长不敏感。

本发明通过对第二超表面结构4和第三超表面结构5进行折射率、周期和厚度的调节，降低耦合区模式有效折射率，降低耦合区色散，并在表面敷设一层石墨烯层6，借助石墨烯层6的超宽带光波长响应(可见光到太赫兹波段)、与光的强相互作用、电导率可调、超快载流子迁移速率等性能，使得耦合装置对入射光的波长不敏感，同时，第一超表面结构3具有反射功能，能够提高入射光的耦合效率。

本发明由于具有一层石墨烯层，通过外部泵浦光源可调节石墨烯的费米能级，继而改变石墨烯光学性质，使得耦合装置的模式有效折射率可调节，这一改变将会实现耦合中心波长可调。

耦合装置的几何参数还包括第二超表面结构4与第一超表面结构3之间在Z方向上的间距以及第二超表面结构4与第三超表面结构5之间在Z方向上的间距，本实施例中，第二超表面结构4与第一超表面结构3之间在Z方向上的间距范围为100nm～1.5μm，第二超表面结构4与第三超表面结构5之间在Z方向上的间距范围为200nm～2μm。

耦合装置的几何参数还包括第一超表面结构3的占空比、第二超表面结构4的占空比和第三超表面结构5的占空比。

在本实施例中，参加图2所示，第一超表面结构3的周期Λ₁的范围为100nm≤Λ₁≤2μm，厚度h₁(Z方向)的范围为50nm≤h₁≤2μm，第一单元30的宽度为w₁(X方向)，第一超表面结构3的占空比为且

参加图3所示，第二超表面结构4的周期Λ₂的范围为200nm≤Λ₂≤5μm，厚度h₂(Z方向)的范围为100nm≤h₂≤1μm，第二单元40的宽度为w₂(X方向)，第二超表面结构4的占空比为且

参加图4所示，第三超表面结构5的周期Λ₃的范围为200nm≤Λ₃≤4μm，厚度h₃(Z方向)的范围为100nm≤h₃≤600μm，第三单元50的宽度为w₃(X方向)，第三超表面结构5的占空比为且

参见图3所示，在本实施例中，第二单元40中包含了两个宽度不同的节段，两个节段间隔设置且二者之间填充绝缘层2。参见图4所示，在本实施例中，第三单元50中包含了两个宽度不同的节段，两个节段间隔设置且二者之间填充绝缘层2。之所以还可以这么设置，其好处是，由于增加了两个节段的宽度以及二者的间隔这三个参数，从而增加设计的维度，有利于提高结构性能。

本实施例中，Λ₂大于Λ₁和Λ₃。

参加图2所示，第三超表面结构5的折射率为1.8～4.2，第二超表面结构4的折射率为1.8～4.2，绝缘层2的折射率为1.0～2.5。第三超表面结构5的折射率小于等于第二超表面结构4的折射率，且第三超表面结构5的折射率大于绝缘层2的折射率。

参加图2所示，石墨烯层6厚度为0.35～3.5nm。

绝缘层2上表面朝第三超表面结构5凹陷并形成用于入射光入射的减薄区7，且减薄区7处的石墨烯层6与第三超表面结构5之间在Z方向上的间距范围为20nm～3μm，设置减薄区7的好处是，有利于石墨烯层靠近第三超表面结构5，更能发挥石墨烯特性。

参见图1所示，绝缘层2包括下绝缘层21和形成于下绝缘层21上的上绝缘层20，第一超表面结构3位于下绝缘层21内，第二超表面结构4和第三超表面结构5位于上绝缘层20内，下绝缘层21采用BCB胶制作而成，上绝缘层20采用绝缘材料制作而成，下绝缘层21与上绝缘层20折射率大致相等。

衬底1采用金属材料，第一超表面结构3采用金属材料，第二超表面结构4采用绝缘材料，第三超表面结构5采用绝缘材料。金属材料采用金、银、铝、铜中的至少一种；绝缘材料采用硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮化镓中的至少一种。

本发明还提供了一种基于石墨烯和超表面结构的耦合装置的制备方法，包括如下步骤：

S1：在衬底1上制备第一超表面结构3；

S2：在第一超表面结构3上沉积第一层；

S3：在第一层上制备第二超表面结构4；

S4：在第二超表面结构4上沉积第二层；

S5：在第二层上制备第三超表面结构5；

S6：在第三超表面结构5上沉积第三层，且第一层、第二层与第三层共同形成绝缘层2；

S7：在第三层上形成石墨烯层6，得到耦合装置。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。