偏振可控纳米光源及其显微系统、光子芯片系统的制作方法

【专利摘要】本发明公开了一种偏振可控纳米光源包括基底；位于基底上的单层石墨烯；分别设置在石墨烯邊缘和基底上的第一电极和第二电极；放置在单层石墨烯上的半导体纳米带；引入激发光照射所述半导体纳米带一端的光纤，并在所述半導体纳米带另一端输出光信号；以及用于改变第一电极和第二电极间施加电压以调控输出光偏振的外加信号源本发明还公开了具有上述偏振可控纳米光源的显微系统、光子芯片系统。本发明提供可小型化、集成化的偏振可控纳米光源通过电信号调节石墨烯费米能级，改變其对传输光的支持状态从而实现对半导体纳米光源输出偏振的调控。

偏振可控纳米光源及其显微系统、光子芯片系统

[0001]本发明涉及微纳咣学和集成光学领域尤其是涉及一种偏振可控纳米光源及其显微系统、光子芯片系统。

[0002]随着微电子技术的发展逐步达到其物理极限光孓技术成为信息科技的新突破点。光子器件的小型化和集成化是目前该领域的重要发展方向无源光子器件的小型化相对成熟，而有源器件尤其是光源的小型化与集成化是主要难题这也成为国际研究的热点的问题。半导体纳米带/线是一种十分理想的纳米光源在片上光通信、超分辨显微、高灵敏传感及高分率显示等方面有重要应用。虽然半导体纳米带/线光源已经在国际上被成功实现，但它与实际应用还囿很大距离主要制约因素是这些纳米光源的发光特性难以调控如偏振、波长、模式、强度等。

[0003]石墨烯作为一种新型二维材料可以与传統集成电路工艺兼容，且易于小型化更重要的是，石墨烯独特的物理性质使其可以支持特定的偏振光进行传输为实现偏振控制提供了噺方法。目前已有采用石墨烯实现偏振控制的专利及研究报道，但这些方法都是将石墨烯与波导结构结合改变波导中传输光的偏振状態。而没能实现对光源发光偏振的直接调控同时，这些已有的石墨烯波导偏振控制器件都是针对近红外光(波长大于100nm)的还没有用于可见咣的偏振控制器件，而这些器件在显示、成像、传感等领域有重要应用若能使用石墨烯实现对可见光光源发光偏振的直接调控将有助于參数可调纳米光源的实现及其小型化、集成化。

[0004]本发明的目的在于提供一种采用石墨烯直接调控可见光的偏振可控纳米光源利用外加电信号调节石墨烯费米能级，改变石墨烯对TE\TM偏振光的支持状态最终实现纳米光源的发光偏振可以在TE/TM两种状态间切换。

[0005]本发明的具体技术方案如下:

[0006]—种偏振可控纳米光源包括基底和位于基底上的单层石墨烯；分别设置在石墨烯边缘和基底上的第一电极和第二电极;放置在单层石墨烯上的半导体纳米带；引入激发光照射所述半导体纳米带一端的光纤，并在所述半导体纳米带另一端输出光信号；以及用于改变第一電极和第二电极间施加电压以调控输出光偏振的外加信号源

[0007]本发明中，采用剥离法制备单层石墨烯材料并转移到基底上;在石墨烯边缘囷基底上分别沉积电极;通过化学气相沉积(CVD)法制备半导体纳米带，采用微纳操作将单根纳米带转移到上述基底并放置在单层石墨烯上;使用咣纤将外部激发光照射在半导体纳米带一端;半导体纳米带另一端的发光作为偏振光使用。

[0008]另外在本发明的偏振可控纳米光源中，由于半導体纳米带自身带状结构特点使其本征发光多呈现不同偏振状态。当系统未施加电压或电压未达到一定强度时石墨烯费米能级处于狄拉克点附近，仅支持TE偏振光的传输TM偏振光被大量衰减，此时纳米带光源发光呈现TE偏振;当在两电极间施加一定电压时石墨烯的费米能级被改变，仅支持TM偏振光的传输TE偏振光被大量衰减，此时纳米带光源发光呈现TM偏振因此，可以通过改变施加电压的大小实现偏振可控的納米光源

[0009]其中，所述的半导体纳米带材料为I1-VI族半导体材料厚度为80nm到120nm，发光波长在可见光波段

[00?0] 本发明中，所述激发光的光源可以为355nm、405nm、532nm等连续或脉冲激光器

[0011]所述的电极为铂、金、银、铜、招、钛、镍、钴、钯等导电材料。

[0012]所述的基底为硅材料上沉积氧化硅层或氮化硅層

[0013]进一步的，本发明所述偏振可控纳米光源可以基于显微镜系统使用也可以基于集成光子芯片使用，具体包括:

[0014]一种具有上述偏振可控納米光源的显微系统结合所述的偏振可控纳米光源，还包括:

[0015]激光器发出耦合入所述光纤的激发光；

[0016]显微物镜，用于对所述的输出光进荇收集；

[0017]滤光片用于滤掉收集到的部分激发光。

[0018]在本发明的显微系统中通过显微物镜收集纳米带的输出光。

[0019]其中所述的显微系统还包括位于滤光片出射光路上的检偏器和用于偏振状态检测的光探测装置，其中光探测装置可以是光谱仪、光功率计或光探测器等

[0020]—种具囿上述偏振可控纳米光源的光子芯片系统，结合所述的偏振可控纳米光源还包括:波导耦合光栅或者波导耦合器，位于所述半导体纳米带嘚端部并用于传输所述的输出光;无源光子器件用于接纳所述波导親合光栅或者波导親合器传输的输出光。

[0021]在本发明中的集成光子芯片系統中通过波导耦合光栅或波导倏逝场耦合等方式将半导体纳米带输出光引入光子器件中。

[0022]本发明提供一种全新的可小型化、集成化的偏振可控纳米光源通过电信号调节石墨烯费米能级，改变其对传输光的支持状态从而实现对半导体纳米光源输出偏振的调控。

[0023]图1是本发奣所设计的偏振可控纳米光源器件示意图；其中I为用于引入激发光的光纤，2为半导体纳米带3为单层石墨烯，4为沉积氧化硅层或氮化硅層5为硅基底，6为电极7为石墨烯上的电极，8为纳米光源输出光信号9为外加信号源；

[0024]图2是本发明所设计的偏振可控纳米光源显微系统图；其中，10为滤光片11为检偏器，12为光探测装置13为激光器，14为显微物镜

[0025]图3是本发明所设计的基于波导光栅耦合的偏振可控纳米光源单片集成光子芯片；其中，15为娃基底16为沉积的氮化娃层，17为氮化娃波导親合光栅18为无源光子器件。

[0026]图4是本发明所设计的基于倏逝场波导耦匼的偏振可控纳米光源单片集成光子芯片;其中19为氮化硅波导耦合器。

[0027]如图1所示结构的偏振可控纳米光源包括用于引入激发光的光纤I，半导体纳米带2单层石墨稀3，沉积氧化娃层或氮化娃层4娃基底5，电极6石墨稀上的电极7，纳米光源输出光信号8和外加信号源9

[0028]本实施例Φ，半导体纳米带2为CdSe纳米带具体采用化学气相沉积(CVD)法在特定温度、气压、气流等条件下生长CdSe纳米带，并对其光学性能进行表征作为石墨烯偏振控制纳米光源的有源材料。

[0029]采用剥离法制备单层石墨烯并转移到沉积有氧化硅层或氮化硅层的硅基底上；或使用CVD方法直接在沉積有氧化硅层或氮化硅层的硅基底上生长单层石墨烯。

[0030]使用聚焦离子束刻蚀(FIB)在石墨烯和基底的硅层上沉积电极或采用微纳操作的方法用导電银浆制备电极电极可以是铂、金、银、铜、铝、钛、镍、钴、钯等导电材料。通过微纳操作将单根半导体纳米带转移到单层石墨烯上操作过程应确保纳米带完好无损。

[0031]如图2所示将激光器13发出的激发光耦合到光纤，并借助显微装置调整光纤输出的光斑使其辐照在纳米带的一端。

[0032]半导体纳米带在激发光的辐照发光使用高倍显微物镜14(100倍或50倍)在纳米带的另一端对输出光进行收集检测。输出光经过物镜后通过滤光片10将物镜收集到的部分激发光滤掉，并通过检偏器11进入光探测装置12进行偏振状态的检测或将输出光引入外部光路系统。其中咣探测装置可以是光谱仪、光功率计或光探测器等

[0033]本实施例中，通过外部信号源在器件两电极间施加电信号调控石墨烯的费米能级。當信号源输出电压为O或低于特定电压值Vth时石墨烯仅支持TE偏振光传播，此时光源输出TE偏振光；当信号源输出电压高于特定电压值Vth时石墨烯仅支持TM偏振光传播，此时光源输出TM偏振光通过改变外部控制信号的电压，即可实现石墨烯偏振控制纳米光源

[0034]本发明的偏振可控纳米咣源既可以作为偏振荧光光源，也可以作为偏振激光光源这取决于激发光的选择。

[0035]本实施例的纳米光源可以实现与光子芯片的集成选擇基于氮化硅材料的光子芯片可以对可见光进行传输与处理。如图3和图4所示在光子芯片中，利用波导进行倏逝场耦合(氮化硅波导耦合器19)戓通过波导耦合光栅(氮化硅波导耦合光栅17)进行耦合将石墨烯偏振控制纳米光源输出光导入芯片中的其他无源光子器件18(如谐振腔、波导分束器等)中。同时结合CMOS集成电路技术可以实现光电集成芯片，在可见光通信及显示领域有重要应用前景

[0036]以上所述仅为本发明的较佳实施舉例，并不用于限制本发明凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

1.一種偏振可控纳米光源其特征在于，包括: 基底； 位于基底上的单层石墨烯； 分别设置在石墨烯边缘和基底上的第一电极和第二电极； 放置茬单层石墨烯上的半导体纳米带； 引入激发光照射所述半导体纳米带一端的光纤并在所述半导体纳米带另一端输出光信号； 以及用于改變第一电极和第二电极间施加电压以调控输出光偏振的外加信号源。2.如权利要求1所述的偏振可控纳米光源其特征在于，所述的半导体纳米带采用I1-VI族半导体材料厚度为80nm到120nmo3.如权利要求1所述的偏振可控纳米光源，其特征在于两个电极的材料为铂、金、银、铜、招、钛、镍、鈷或钯。4.如权利要求1所述的偏振可控纳米光源其特征在于，所述的基底为沉积有氧化硅层或氮化硅层的硅材料5.—种具有如权利要求1?4任┅项所述偏振可控纳米光源的显微系统，其特征在于还包括: 激光器，发出耦合入所述光纤的激发光； 显微物镜用于对所述的输出光进荇收集； 滤光片，用于滤掉收集到的部分激发光6.如权利要求5所述的显微系统，其特征在于所述的显微系统还包括位于滤光片出射光路仩的检偏器和用于偏振状态检测的光探测装置。7.—种具有如权利要求1?4任一项所述偏振可控纳米光源的光子芯片系统其特征在于，还包括: 波导耦合光栅或者波导耦合器位于所述半导体纳米带的端部并用于传输所述的输出光； 无源光子器件，用于接纳所述波导耦合光栅或者波导耦合器传输的输出光

【公开日】2016年8月31日

【申请日】2016年4月7日

【发明人】杨青, 徐鹏飞, 钱浩亮, 庞陈雷, 李海峰, 刘旭