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1、(10)申请公布号 CN 102832431 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 4 3 1 A *CN102832431A* (21)申请号 201210289686.1 (22)申请日 2012.08.14 H01P 3/18(2006.01) (71)申请人东南大学 地址 210096 江苏省南京市四牌楼2号 (72)发明人陆卫兵 朱薇 许红菊 (74)专利代理机构南京天翼专利代理有限责任 公司 32112 代理人汤志武 (54) 发明名称 基于石墨烯的S形波导 (57) 摘要 一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底，在 硅衬底上设有二氧化硅衬底，。
2、二氧化硅衬底的上 表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底上铺有石 墨烯层，并且石墨烯的化学势为0.8eV（对应的载 流子浓度为4.7e 13 cm -2 ），石墨烯层的形状与二氧 化硅衬底上表面的形状相吻合。石墨烯的化学势 可以通过化学掺杂的方式来实现，现今技术中利 用四氰代二甲基苯醌等分子吸附技术掺杂，可以 使得石墨烯的载流子浓度达到1e 14 cm -2 。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书2页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底（3），在硅。
3、衬底（3）上设有二氧化硅衬底 （2），二氧化硅衬底（2）的上表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底（2）上铺有石墨烯层（1）， 并且石墨烯层（1）的化学势为0.8eV，石墨烯层（1）的形状与二氧化硅衬底（2）上表面的形 状相吻合。 权 利 要 求 书CN 102832431 A 1/2页 3 基于石墨烯的 S 形波导 技术领域 0001 本发明涉及一种基于石墨烯的S形弯曲波导，尤其是此基于石墨烯的S形弯曲波 导，可以在弯曲的表面上传播表面等离子体极化波。 背景技术 0002 表面等离子极化波的出现，为突破衍射极限，实现亚波长的光电器件以及光电集 成电路提供了可能。光波导是集成光学中必不可少的器件。。
4、由于光波导中光束传播方向的 改变，光波导中的弯曲是必须的。普通的基于金属的表面等离子体极化波波导在遇到弯曲 等不平的平面时，由曲率导致的辐射损耗会产生，由于金属上支持的表面等离子体极化波 的折射率比较小，局域性相对较弱，在散射损失了一部分动量后，此时的折射率很可能小于 空气中的折射率，这时已经不能支持表面等离子体极化波的传输了，而金属要用在弯曲波 导器件中，大多是通过在金属上设计光学变换结构来实现，光学变换的结构如图1所示。而 石墨烯具有很强的柔韧性和稳定性，通过化学掺杂，人们可以调节石墨烯上支持的表面等 离子体极化波的折射率，从而调节石墨烯上支持的表面等离子体极化波的局域性。相对于 金属，通。
5、过化学掺杂，石墨烯的局域性可以远远大于普通金属，且石墨烯具有很强的柔韧性 和稳定性，不需要做任何光学变换结构也能很好的引导表面等离子体极化波沿着弯曲的表 面传播，从而克服了金属弯曲波导中需要做光学变换结构才能良好传输的限制。迄今为止， 尚无人使用石墨烯来设计S形波导。 发明内容 0003 技术问题：本发明提供一种基于石墨烯的S形波导，不需要做任何光学变换结构 即可以在弯曲的表面上传播表面等离子体极化波，加工简单，易于实现。 0004 本发明采用如下技术方案： 一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底，在硅衬底上设有二氧化硅衬底，二氧化硅衬 底的上表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底上铺有石墨烯层，并。
6、且石墨烯层的化学势为 0.8eV，石墨烯层的形状与二氧化硅衬底上表面的形状相吻合。 0005 与现有技术比，本发明具有以下优点： 本发明使用石墨烯来设计S形波导，现有技术中是使用金属来设计弯曲波导，由于 金属上支持的表面等离子体极化波的折射率相对较小，局域性不是很好，一般都是通过在 金属上设计光学变换结构,例如图1中在金属4的上面铺设介电常数厚度不同的介质层 5,6,7来实现，加工困难，不利于实际应用。而石墨烯具有很强的柔韧性和稳定性，其折射率 可以通过化学掺杂的方式来调节，使得其上支持的表面等离子体极化波的局域性很强，不 需要做任何光学变换结构也能很好的引导表面等离子体极化波沿着弯曲的石墨烯。
7、表面传 播。此发明，加工简便，易于实现，克服了金属弯曲波导中需要做光学变换结构才能良好传 输的限制。 说 明 书CN 102832431 A 2/2页 4 附图说明 0006 图1是金属表面等离子体极化波弯曲波导上的光学变换结构的侧视图，4为金属， 5,6,7分别为厚度，介电常数不同的介质层。 0007 图2是本发明的结构侧视图，包括叠合在一起的三层结构，最下面的是硅基底，硅 基底上铺二氧化硅衬底，二氧化硅衬底上铺石墨烯层。二氧化硅衬底上表面设有S形起伏 表面，其中，组成此S形的半圆的直径D为120nm。 0008 图3是在温度为300K,化学势为0.8 eV时,石墨烯上支持的表面等离子体极化。
8、 波的有效折射率的实部随频率的变化曲线。由此图可以看出，石墨烯上支持的表面等离子 体极化波的有效折射率的实部在一个很宽的频带内都很大，即局域性很强。 0009 图4是本发明的y方向磁场强度分布的仿真结果图，频率为160THz时，左端为入 射端，右端为出射端，由图可见，表面等离子体极化波在弯曲的石墨烯表面上很好的从左端 传到了右端。 0010 具体实施方式： 一种基于石墨烯的S形波导，包括硅衬底3，在硅衬底3上设有二氧化硅衬底2，二氧化 硅衬底2的上表面为S形起伏表面，在二氧化硅衬底2上铺有石墨烯层1，并且石墨烯层1 的化学势为0.8eV（对应的载流子浓度为4.7e 13 cm -2 ），石墨烯。
9、层1的形状与二氧化硅衬底2 上表面的形状相吻合。石墨烯的化学势可以通过化学掺杂的方式来实现，现今技术中利用 四氰代二甲基苯醌等分子吸附技术掺杂，可以使得石墨烯的载流子浓度达到1e 14 cm -2 。 0011 石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为（“Dyadic Greens functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene,” J. Appl. Phys. 103(6), 064302，2008）。 0012 其中-e为电子电量，为普朗克常数， 是费米狄 拉克分布，为波尔兹曼常数，为角频率，为化学势，表示散射率，表示温度。石墨 烯的化学势与载流子的浓度关系可以表示为如下所示： 其中为载流子浓度,为费米速度。由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学 势的变化而变化的。并且通过化学掺杂的方式可以改变石墨烯的载流子浓度，从而改变石 墨烯的化学势，进而可以使得其上支持的表面等离子体极化波的损耗可以降低到很小。因 此，石墨烯有望在表面等离子体极化波领域成为替代金属的一个比较好的选择。 说 明 书CN 102832431 A 1/2页 5 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102832431 A 2/2页 6 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102832431 A 。