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基于石墨烯的可调光调制
本申请要求根据35U.S.C.的优先权。 美国临时申请序列号第119条 于2015年3月5日提交的第61/128800号说明书，其内容依赖于本文，并通过引用整体并入本文。
领域
这里描述的是基于二维材料的光学器件和用于制造这种器件的方法。 特别地，本文描述的制品可用于通过石墨烯单层或多层的光的控制和调制。
技术背景
石墨烯是sp2键合的碳原子的二维单层，在通过石墨的机械裂解进行实验分离之后，其吸引了极大的兴趣。 其独特的物理性质，如高固有载流子迁移率（〜200,000 cm2 / Vs），量子电子传输，可调带隙，高机械强度和弹性以及优异的导热性，使石墨烯在许多应用中有希望，包括高速晶体管， 能源/热管理和光电子学。 此外，对其结构的研究和了解导致其他超薄和单层材料的发展显示出希望。 由于当前一代硅基器件在未来几年达到其基本最小尺寸限制，超薄材料将为设计更小的器件提供机会。
概要
第一方面包括一种光调制装置，包括：（a）其中光束的光强度被放大的谐振光学结构，和（b）在上述以线性光学方式工作的谐振结构内部或附近的超薄层 由此通过向超薄层施加电压EF或机械位移来实现由谐振结构透射，反射或产生的光的调制。 在一些实施例中，使用压电或电容力效应来实现超薄层的机械位移。
在一些实施例中，超薄层是厚度小于工作光学波长的任何吸收或折射材料。在一些实施例中，超薄层具有小于20nm，小于15nm，小于10nm或小于5nm的厚度。在一些实施例中，超薄层包含10或更小的原子或分子厚的层。在一些实施方案中，超薄层包含单层或一系列一个或多个单层，其中所述一个或多个单层可以不彼此直接接触。在一些实施例中，超薄层包括石墨烯，六方氮化硼，过渡金属二硫属元素化合物，IV族或III族金属硫族化物，硅，锗，二元组III-V化合物或二元族IV化合物。在一些实施例中，超薄层是可以通过施加电压来控制其吸收或折射率的材料的一层或多层。
另一方面包括以上任何光调制装置，其中谐振光学结构包括法布里 - 珀罗干涉仪。
另一方面包括上述任何光调制装置，其中谐振光学结构包括由掺入超薄层的多层电介质制成的隧道谐振结构。在一些实施例中，隧道谐振结构在沮丧的全内反射下运行。
另一方面包括上述任何光调制装置，其中该装置还包括金属纳米颗粒，其形成与该超薄层相邻并近似平行的层，金属纳米颗粒具有直径2R，平均纳米颗粒的中心至中心距离为P ，与d的超薄层的平均距离。在一些实施方案中，2R为约100nm至约3.0mu;m，P为约500nm至约1500nm，d为约100nm至约3.0mu;m。在一些实施方案中，金属纳米颗粒以三角形，正方形，六边形或紧密堆积排列排列。
另一方面包括上述光调制装置中的任一种，其中该装置还包括形成与该超薄层相邻且近似平行的层的介电纳米颗粒，该金属纳米颗粒具有直径2R，平均纳米颗粒的中心至中心距离为P ，与d的超薄层的平均距离。在一些实施方案中，2R为约100nm至约3.0mu;m，P为约500nm至约1500nm，d为约100nm至约3.0mu;m。在一些实施方案中，金属纳米颗粒以三角形，正方形，六边形或紧密堆积排列排列。
在任何上述方面的一些实施例中，谐振光学结构还可以包括激光增益介质。在这样的实施例中，来自超薄层的调制允许将激光器调谐到阈值以上或以下，以产生输出调制的激光信号。在一些实施例中，来自超薄层的调制主动模式锁定激光器的模式以产生光脉冲的输出锁模序列。
在任何上述方面的一些实施例中，谐振结构透射，反射或产生的光的调制是由外部参数的变化引起的。在这样的实施例中，外部参数包括机械位移或压力，或者外部参数包括电信号。
在任何上述方面的一些实施方案中，EF为约0.1eV至约2.0eV。在任何上述方面的一些实施例中，谐振波长在约400nm至约1.4mm的区域中。
附加的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且部分地由本领域的技术人员从说明书中或通过实践本文的书面说明书和权利要求书中描述的实施例而被认识到，以及在附图中。
应当理解，上述一般描述和以下详细描述仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解的概述或框架。
附图说明
包括附图以提供进一步的理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。
图1A-1F描述了基于谐振隧道传输的具体石墨烯光开关。图1A比较了通过带间电子跃迁在宽光谱范围内吸收光子（垂直箭头）和掺杂石墨烯（较低方案）的未掺杂石墨烯（上方案，狄拉克点的费米能级）的掺杂诱导吸收切换效应，当费米能量EF超过光子能量的一半时，其中Pauli排除阻挡光子吸收;图。图1B是包括用于光的谐振隧道透射的平面多层结构的实施例（不按比例），包括中央BN平面波导和插入在BN / SiO 2界面的两个单层石墨烯膜;图。图1C示出了图1的电位。 1B在等效的薛定er模型中;图。图1C示出入射角为71°，自由空间波长为689nm的外部光强度的归一化电场强度。光是s（TE）极化并从左侧入射。提供不同掺杂水平的结果（参见图1E）。图。 1E是不同掺杂水平的71°入射下多层结构的透射光谱。透射最大值与本文提供的解析表达式一致（见箭头）。数值标签对应于在689nm的波长处评估的Re（sigma;）/（e2 / 4h）比。图1F是作为掺杂和未掺杂的石墨烯的入射角和波长的函数的透射图。
图2A-2C描述了基于谐振隧道传输的石墨烯光开关的替代实施例。在该实施例中，该结构仅包括一个石墨烯层（图2A）。从图中可以看出，如图2B和2C所示，所得的透射率和反射率值类似于图2的双层石墨烯系统中所见。
图3A-3C描述了基于谐振隧穿传输的石墨烯光开关的替代实施例。在该实施例中，该结构仅包括一个石墨烯层（图3A），类似于图3中所见。如图2A所示，但是现在已经删除了先前标记为BF11的第二个外耦合介质。
图4A-4C描述了基于谐振法布里 - 珀罗传输的具体石墨烯光开关。图。图4A示出了在两个布拉格反射镜侧面的空腔内部结合有可调谐石墨烯层的体现的法布里 - 珀罗谐振器。图。图4B和4C提供不同掺杂水平的法线入射透射率（图4B）和反射率（图4C）的光谱。在实施例中，空腔充满空气，但是用较窄的玻璃填充空腔实现类似的性能。
图5A-5C描述了基于谐振法布里 - 珀罗传输的替代实施的石墨烯光开关。图5A示出了类似于图5的法布里 - 珀罗腔。 4A，但填充玻璃并且设计为使用改进的几何参数在相同的光谱区域中操作。图。图5B和5C提供不同掺杂水平的法线入射透射率（图5B）和反射率（图5C）的光谱。
图6描述了相对于图1中考虑的法布里 - 珀罗腔内的入射强度的电场强度增强。如图4A所示，在没有石墨烯的情况下在738nm共振波长下计算。在波腹处加入第二个石墨烯层（该图中最右边的石墨烯层）产生与图1和图2完全相同的透射和反射光谱。 4B和4C，不管额外层的掺杂状态。空腔的宽度为800nm，其他几何参数与图1中相同。
图7A-7B描述了通过耦合到三重共振的石墨烯吸收增强。图。图7A示出了使用等式1对插图中所示的硅球/未掺杂 - 石墨烯系统估计的投影球面积（pi;R2）归一化的吸收截面积。 （1）和三重理论。我们绘制由于存在球体而引起的吸收增加。硅/石墨烯分离为d = R / 150。上刻度对应于球半径R = 300nm和d = 2nm。入射电场沿着x方向。图。图7B绘出了图3中标记为A和B的两个Mie谐振的石墨烯平面电场强度增强（| Ex | 2 | Ey | 2）/ | E0 | 2。 7A。这些谐振的质量因子Q也在图1中示出。
图8A-8C描述了包含用可调谐吸收的三维矩阵二维阵列装饰的石墨烯的实施例。图8A示出了石墨烯附近的硅球的三角形阵列的几何形状和参数的侧视图。图8B是不同格子周期P的没有石墨烯的通过球形阵列的法向入射透射光谱。波长显示为归一化为球半径R（较小刻度），对于R = 300nm（上标尺）。图8C是在正常入射下放置在未掺杂的石墨烯（硅 - 碳距离d = R / 150）附近时阵列的吸光度的光谱。晶格周期为P = 800nm。
图9A-9C描述了用二维阵列的三重谐振器装饰的石墨烯的替代实施例，如图1中的窗口所示。如图9A所示，图9A还示出了放置在石墨烯片的顶部上的硅球的三角形晶格（半径R = 300nm和晶格周期P = 800nm）的正常入射（k∥= 0）吸收光谱（硅 - 碳分离距离d = 2nm），当石墨烯负载在二氧化硅衬底上时。图。图9B与图9A相同。但是对于正方形格子。图。图9C示出了在考虑的三重共振区域中没有石墨烯的三角形硅球晶格的分散图。图6中的白色垂直段。图9C表示图1中的光谱范围。图9A所示，由在有限k∥上由格子共振穿过的球体三重模式所支配。晶格共振产生三重模式的变窄。
图10A-10E描述了通过耦合到2D金属颗粒阵列中的晶格共振来可调地增强石墨烯吸收的实施例。图。图10A描述了一种实施例，其中金球体（半径R）的正方形排列放置在石墨烯上方（2nm金 - 碳分离）。假设整个系统嵌入二氧化硅（ε= 2.25）。图。图10B和10C示出了正常入射透射。 10B和反射图。对于R = 80nm和具有掺杂（破坏曲线，EF = 1eV）或未掺杂（实心曲线）石墨烯的不同晶格周期P的10C光谱。光谱由在自由空间光波长lambda;〜Pradic;ε附近出现的晶格共振主导。图10D在掺杂或未掺杂的石墨烯（左标度）下以掺杂石墨烯（右标尺）和该波长的透射率绘制峰值波长，作为金球半径的函数，P = 500nm。类似地，图10E表示银颗粒的峰值波长。
详细说明
在公开和描述本发明的材料，制品和/或方法之前，应当理解，下面描述的方面不限于具体化合物，合成方法或本文使用的用途当然可以变化。还应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定方面，而不是限制性的。
在本说明书和下面的权利要求中，将提及将被定义为具有以下含义的若干术语：
在本说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”或诸如“包括”或“包含”的变体将被理解为暗示包含所述整数或步骤或整数或步骤的组，但不包括排除任何其他整数或步骤或整数或步骤组。其中包含或其变体出现的术语“基本上由...组成”或“由...组成”可以被替代。
如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“a”，“an”和“the”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“药用载体”包括两种或更多种这样的载体的混合物等。
“可选”或“可选”是指随后描述的事件或情况可能发生或不能发生，并且该描述包括事件或情况发生的情况以及不发生的情况。
范围可以在本文中表示为“约”一个特定值，和/或“约”另一特定值。当表示这样的范围时，另一方面包括从一个特定值和/或另一个特定值。类似地，当值被表示为近似值时，通过使用先前的“约”，可以理解，特定值形成另一方面。还将进一步理解，每个范围的端点对于另一端点而言都是显着的，并且独立于另一端点。
如上所述，由于由其无质电荷载体的特有带结构得到的非凡的光电特性，石墨烯是光电子学中有希望的材料。值得注意的是，其光吸收可以通过电掺杂来接通/断开。在其未掺杂状态下，在可见光近红外电磁光谱（“vis-NIR”）内，在较低光谱范围内的直接电子 - 空穴对跃迁的结果，其在宽光谱范围内吸收入射光的一部分pi;alpha;asymp;2.3％占有狄拉克锥体和上部未占据的锥体（每个布里渊区域两个不等的锥体）。相比之下，当电掺杂时，打开光学间隙，其抑制光子能量的垂直光学跃迁低于2 | EF |，其中EF是费米能量相对于未掺杂状态的变化。实际上，可以通过电门控获得高达1 eV的EF值，因此能够将光吸收调制到可见的状态。化学方法允许实现甚至更高的掺杂水平，其可以与围绕高偏压点的EF的额外的静电诱导变化相结合以达到对较短光波长的控制。
vis-NIR频率下的快速光调制可以应用于光信号处理和互连切换，其中对能够以太赫兹换向率工作的集成波长尺寸的器件有很大的需求。石墨烯的非凡电光响应是实现这些类型器件的关键因素。然而，用于光调制的原子薄膜的开发面临着它们与光相互作用弱的问题。增强这种相互作用的一个可能的解决方案是当高掺杂时，使用显示在该材料的光学间隙中的固有等离子体激元。与石墨烯等离子体激元的共振耦合甚至可以产生完全的光学吸收，例如在周期性纳米结构的石墨烯中在中红外频率下观察到大的可调谐光调制。将该策略扩展到可见光近场光谱域仍然是一个挑战，因为它需要通过传统的平版印刷技术横向图案化具有lt;10nm特征的碳膜，尽管化学自组装可能提供可行的方法产生所需的结构。
一种替代的解决方案在于通过增加光与其相互作用的区域或通过将碳膜耦合到高品质因子的光学腔（即通过在石墨烯附近的长时间内捕获光）来放大未掺杂的石墨烯的吸收。已经通过将光波导的长路径暴露于电选择的石墨烯，已经用前一种方法证明了宽带调制器。此外，已经使用等离子体结构，光子晶体和超材料研究了与光子腔的耦合。例如，与金属分表面集成的单层石墨烯已被用于控制中红外频率处的光学响应（共振位置，深度和线宽）。类似地，在石墨烯装载的等离子体激元中已经报道了在600nm带宽上的中红外光的大强度调制（gt; 30％）。另外，通过将石墨烯与光子晶体腔耦合，在NIR中观察到伴随着反射率的4倍变化的共振波长〜2nm。通过将单层石墨烯与超材料，金纳米样品阵列和光子波导组合以及通过在全内反射下耦合多层石墨烯，也已经证明（没有调制）石墨烯中增强的可见光吸收。
本文描述的方面提供了在谐振腔中采用平面，超薄层材料（例如石墨烯或石墨烯材料）的新型调制方案，以调制以大致垂直方式穿过该层的光信号。以适当的方式将谐振光学结构与超薄层结合可以提供有趣的
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