專利名稱：基于石墨烯的s形波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于石墨烯的S形彎曲波導，尤其是此基于石墨烯的S形彎曲波導，可以在彎曲的表面上傳播表面等離子體極化波。
背景技術：
表面等離子極化波的出現(xiàn)，為突破衍射極限，實現(xiàn)亞波長的光電器件以及光電集成電路提供了可能。光波導是集成光學中必不可少的器件。由于光波導中光束傳播方向的改變，光波導中的彎曲是必須的。普通的基于金屬的表面等離子體極化波波導在遇到彎曲等不平的平面時，由曲率導致的輻射損耗會產(chǎn)生，由于金屬上支持的表面等離子體極化波的折射率比較小，局域性相對較弱，在散射損失了一部分動量后，此時的折射率很可能小于空氣中的折射率，這時已經(jīng)不能支持表面等離子體極化波的傳輸了，而金屬要用在彎曲波導器件中，大多是通過在金屬上設計光學變換結構來實現(xiàn)，光學變換的結構如圖I所示。而石墨烯具有很強的柔韌性和穩(wěn)定性，通過化學摻雜，人們可以調(diào)節(jié)石墨烯上支持的表面等 離子體極化波的折射率，從而調(diào)節(jié)石墨烯上支持的表面等離子體極化波的局域性。相對于金屬，通過化學摻雜，石墨烯的局域性可以遠遠大于普通金屬，且石墨烯具有很強的柔韌性和穩(wěn)定性，不需要做任何光學變換結構也能很好的引導表面等離子體極化波沿著彎曲的表面?zhèn)鞑?，從而克服了金屬彎曲波導中需要做光學變換結構才能良好傳輸?shù)南拗啤Ｆ駷橹?，尚無人使用石墨烯來設計S形波導。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明提供一種基于石墨烯的S形波導，不需要做任何光學變換結構即可以在彎曲的表面上傳播表面等離子體極化波，加工簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明采用如下技術方案
一種基于石墨烯的S形波導，包括硅襯底，在硅襯底上設有ニ氧化硅襯底，ニ氧化硅襯底的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底上鋪有石墨烯層，并且石墨烯層的化學勢為
0.8eV，石墨烯層的形狀與ニ氧化硅襯底上表面的形狀相吻合。與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
本發(fā)明使用石墨烯來設計S形波導，現(xiàn)有技術中是使用金屬來設計彎曲波導，由于金屬上支持的表面等離子體極化波的折射率相對較小，局域性不是很好，一般都是通過在金屬上設計光學變換結構，例如圖I中在金屬4的上面鋪設介電常數(shù)厚度不同的介質(zhì)層5，6，7來實現(xiàn)，加工困難，不利于實際應用。而石墨烯具有很強的柔韌性和穩(wěn)定性，其折射率可以通過化學摻雜的方式來調(diào)節(jié)，使得其上支持的表面等離子體極化波的局域性很強，不需要做任何光學變換結構也能很好的引導表面等離子體極化波沿著彎曲的石墨烯表面?zhèn)鞑?。此發(fā)明，加工簡便，易于實現(xiàn)，克服了金屬彎曲波導中需要做光學變換結構才能良好傳輸?shù)南拗啤?br>

圖I是金屬表面等離子體極化波彎曲波導上的光學變換結構的側視圖，4為金屬，5，6，7分別為厚度，介電常數(shù)不同的介質(zhì)層。圖2是本發(fā)明的結構側視圖，包括疊合在一起的三層結構，最下面的是硅基底，硅基底上鋪ニ氧化硅襯底，ニ氧化硅襯底上鋪石墨烯層。ニ氧化硅襯底上表面設有S形起伏表面，其中，組成此S形的半圓的直徑D為120nm。圖3是在溫度為300K，化學勢為0. 8 eV吋，石墨烯上支持的表面等離子體極化波的有效折射率的實部隨頻率的變化曲線。由此圖可以看出，石墨烯上支持的表面等離子體極化波的有效折射率的實部在一個很寬的頻帶內(nèi)都很大，即局域性很強。
圖4是本發(fā)明的y方向磁場強度分布的仿真結果圖，頻率為160THZ時，左端為入射端，右端為出射端，由圖可見，表面等離子體極化波在彎曲的石墨烯表面上很好的從左端傳到了右端。
具體實施例方式 一種基于石墨烯的S形波導，包括硅襯底3，在硅襯底3上設有ニ氧化硅襯底2，ニ氧化硅襯底2的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底2上鋪有石墨烯層1，并且石墨烯層I的化學勢為0. 8eV (對應的載流子濃度為4. 7e13Cm_2)，石墨烯層I的形狀與ニ氧化硅襯底2上表面的形狀相吻合。石墨烯的化學勢可以通過化學摻雜的方式來實現(xiàn)，現(xiàn)今技術中利用四氰代ニ甲基苯醌等分子吸附技術摻雜，可以使得石墨烯的載流子濃度達到Ie14Cm'石墨烯的電導率可以由Kubo公式表不為(“Dyadic Green’s functions andguidea surface waves for a surface conductivity model of graphene, ” J. AppI.Phys. 103(6)， 064302,2008)。
,^ Jtr[I；- s dfj ( s I af4 I - s I ,,
びi U . r. i )=------春—----- a €
-t;Ji co - j2F 8& ' dsds其中_e為電子電量，為普朗克常數(shù)，= +費米狄
拉克分布，‘為波爾茲曼常數(shù)，_為角頻率，/《為化學勢，f表示散射率，T表示溫度。石墨烯的化學勢與載流子的濃度關系可以表示為如下所示
^=吖ムい凡)}^
其中M1為載流子濃度，為費米速度。由上述公式可知，石墨烯的電導率是隨著化學勢的變化而變化的。并且通過化學摻雜的方式可以改變石墨烯的載流子濃度，從而改變石墨烯的化學勢，進而可以使得其上支持的表面等離子體極化波的損耗可以降低到很小。因此，石墨烯有望在表面等離子體極化波領域成為替代金屬的一個比較好的選擇。
權利要求
1.一種基于石墨烯的S形波導，包括硅襯底(3)，在硅襯底(3)上設有ニ氧化硅襯底(2)，ニ氧化硅襯底(2)的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底(2)上鋪有石墨烯層(1)，并且石墨烯層(I)的化學勢為0. 8eV，石墨烯層(I)的形狀與ニ氧化硅襯底(2)上表面的形狀相吻合。
全文摘要
一種基于石墨烯的S形波導，包括硅襯底，在硅襯底上設有二氧化硅襯底，二氧化硅襯底的上表面為S形起伏表面，在二氧化硅襯底上鋪有石墨烯層，并且石墨烯的化學勢為0.8eV(對應的載流子濃度為4.7e13cm-2)，石墨烯層的形狀與二氧化硅襯底上表面的形狀相吻合。石墨烯的化學勢可以通過化學摻雜的方式來實現(xiàn)，現(xiàn)今技術中利用四氰代二甲基苯醌等分子吸附技術摻雜，可以使得石墨烯的載流子濃度達到1e14cm-2。
文檔編號H01P3/18GK102832431SQ20121028968
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權日2012年8月14日
發(fā)明者陸衛(wèi)兵, 朱薇, 許紅菊 申請人:東南大學