本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體一種基于半導體增益和石墨烯的SPP裝置。
背景技術(shù)：
表面等離子體激元(Surface plasmon polaritons,簡稱SPP)是通過改變金屬表面的亞波長結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的一種光波與可遷移的表面電荷之間電磁模，可以支持金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娴入x子波，從而傳輸光能量，且不受衍射極限的限制。正因為SPP這種獨特的性質(zhì)，使其在納米量級操縱光能量發(fā)揮著重要的作用。石墨烯能夠傳播spp特性已經(jīng)被一個無限長的由量子點包裹的石墨烯納米帶理論證明。《Optics Express》在2011年19卷第14期12925–12936頁上長篇刊載了浙江大學和美國帕卡德休利特實驗室Wosinski合作團隊研制的增益介質(zhì)的金屬碟型的半導體脊波導結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)同時具有低損耗和納米級光場限制能力，并通過引入適當?shù)慕橘|(zhì)增益來補償損耗實現(xiàn)了凈增益，設(shè)計的波導制造方法簡單，能與標準的CMOS微電子技術(shù)兼容。上述研究成果展現(xiàn)了半導體SPP波導的獨特光電屬性以及與現(xiàn)有集成電路制造技術(shù)的兼容特點，使得半導體材料的SPP器件有著更廣闊的應用前景。
《Optical and Quantum Electronics》在2015年47卷第7期1791-1800頁上刊登的Olyaeefar課題組報道的混合SPP石墨烯波導結(jié)構(gòu)，采用的是InGaAsP增益介質(zhì)實現(xiàn)對損耗的補償，結(jié)構(gòu)制作可行性非常強。然而其肋型石墨烯結(jié)構(gòu)對于大規(guī)模生產(chǎn)存在一定的困難。目前有關(guān)石墨烯和半導體增益的器件還處于研發(fā)階段，各國對于這個新興材料和相應器件還處于一個專利布局期。
目前對于基于半導體增益和石墨烯的SPP波導大都集中在其中一種材料的應用器件特性分析，對于他們之間的共同作用報道較少。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于半導體增益和石墨烯的SPP器件裝置。這種裝置能夠提供更強的局域化約束，具備為表面等離子激勵電路提供光源，且能夠與多種納米光子、電子器件兼容，能為低閾值納米激光器等高密度光子集成器件的發(fā)展提供一個新的原型器件、能為表面等離子領(lǐng)域提供高性能的微腔和可集成的器件。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：
一種基于半導體增益和石墨烯的SPP器件裝置，包括順序疊接的底層石墨烯層、半導體增益層、緩沖層和頂層石墨烯層，所述的半導體增益層為T型波導結(jié)構(gòu)，T型波導結(jié)構(gòu)的兩側(cè)為對稱的、結(jié)構(gòu)和大小相同的第一長方體和第二長方體。
所述半導體增益層為高折射率的銦砷化鎵層。
所述的第一長方體和第二長方體為介電常數(shù)小、電子有效質(zhì)量小、可作外延片的砷化鎵。
所述緩沖層為低折射率硫化鎘緩沖層。
通過調(diào)節(jié)石墨烯厚度能夠控制2個不同層的結(jié)合界面產(chǎn)生的SPP頻率。
所述半導體增益和石墨烯在SPP波導中的應用。
所訴基于半導體增益和石墨烯的SPP器件裝置的制作過程如下：首先是石墨烯層沉積矩形體的銦砷化鎵層，然后在銦砷化鎵層上做一個對稱大小的掩膜，經(jīng)過干法刻蝕過程形成一個T形銦砷化鎵層，再用濕法刻蝕技術(shù)移除掩膜層，接著沉積對稱砷化鎵的長方體，最后分別沉積硫化鎘緩沖層和覆蓋頂層石墨烯層6。
電子在銦砷化鎵中的傳輸速度是硅的數(shù)倍，銦砷化鎵材料增益的優(yōu)點是能夠減少芯片尺寸，提高信息處理的速度。
所述的硫化鎘緩沖層，采用室溫固相反應法制備。
所述的石墨烯層通過等離子體刻蝕工藝制作，可以通過改變石墨烯的厚度調(diào)節(jié)SPP的共振頻率。
入射光從銦砷化鎵層側(cè)面以大于石墨烯與銦砷化鎵全反射角的角度衍射到底層石墨烯與銦砷化鎵層界面產(chǎn)生SPP倐逝波，由于光的穿透作用會在頂層石墨烯層與硫化鎘緩沖層界面也產(chǎn)生SPP倐逝波，因為半導體材料的折射率差、半導體材料的增益補償作用以及石墨烯獨特的光電屬性，會使得的上下2層界面的SPP共同作用，發(fā)生顯著增強光子局域化現(xiàn)象。
這種裝置采用光激發(fā)SPP，通過2層界面的共同作用、半導體增益增強SPP傳播與局域，采用的半導體材料的波導結(jié)構(gòu)能夠與多種納米光子、電子器件兼容。
這種裝置能夠提供更強的局域化約束，具備為表面等離子激勵電路提供光源，且能夠與多種納米光子、電子器件兼容，能為低閾值納米激光器等高密度光子集成器件的發(fā)展提供一個新的原型器件、能為表面等離子領(lǐng)域提供高性能的微腔和可集成的器件。
附圖說明
圖1為實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1. 底層石墨烯層 2.半導體增益層 3.第一長方體 4.第二長方體 5.緩沖層 6.頂層石墨烯層 7.入射光。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步闡述，但不是對本發(fā)明限定。
實施例： 參照圖1，
一種基于半導體增益和石墨烯的SPP器件裝置，包括順序疊接的底層石墨烯層1、半導體增益層2、緩沖層5和頂層石墨烯層6，所述的半導體增益層2為T型波導結(jié)構(gòu)，T型波導結(jié)構(gòu)的兩側(cè)為對稱的、結(jié)構(gòu)和大小相同的第一長方體3和第二長方體4。
所述半導體增益層2為高折射率的銦砷化鎵層。
所述的第一長方體3和第二長方體4為介電常數(shù)小、電子有效質(zhì)量小、可作外延片的砷化鎵。
所述緩沖層5為低折射率硫化鎘緩沖層。
通過調(diào)節(jié)石墨烯厚度能夠控制2個不同層的結(jié)合界面產(chǎn)生的SPP頻率。
所述半導體增益和石墨烯在SPP波導中的應用。
所訴基于半導體增益和石墨烯的SPP器件裝置的制作過程如下：首先是石墨烯層沉積矩形體的銦砷化鎵層，然后在銦砷化鎵層上做一個對稱大小的掩膜，經(jīng)過干法刻蝕過程形成一個T形銦砷化鎵結(jié)構(gòu)，再用濕法刻蝕技術(shù)移除掩膜層，接著沉積對稱砷化鎵的長方體，最后分別沉積硫化鎘緩沖層和覆蓋頂層石墨烯層6。
電子在銦砷化鎵中的傳輸速度是硅的數(shù)倍，銦砷化鎵材料增益的優(yōu)點是能夠減少芯片尺寸，提高信息處理的速度。
所述的硫化鎘緩沖層，采用室溫固相反應法制備。
所述的石墨烯層通過等離子體刻蝕工藝制作，可以通過改變石墨烯的厚度調(diào)節(jié)SPP的共振頻率。
入射光7從銦砷化鎵層側(cè)面以大于石墨烯與銦砷化鎵全反射角的角度衍射到底層石墨烯與銦砷化鎵層界面產(chǎn)生SPP倐逝波，由于光的穿透作用會在頂層石墨烯層與硫化鎘緩沖層界面也產(chǎn)生SPP倐逝波，因為半導體材料的折射率差、半導體材料的增益補償作用以及石墨烯獨特的光電屬性，會使得的上下2層界面的SPP共同作用，發(fā)生顯著增強光子局域化現(xiàn)象。