CN105572865A - 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器 - Google Patents

基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器 Download PDF

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Abstract

一种基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，该吸收器包括自上而下的电介质光栅层,单层石墨烯和布拉格光栅层，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。本发明可以由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

Description

基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器
技术领域
本专利涉及基于石墨烯的超窄带光谱选择性吸收器，特别是一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器。
背景技术
近年来，由于具有唯一的电学、光学、机械和热特性，石墨烯已经被广泛地研究。作为一个几年前刚刚发现的超薄两维碳基材料，石墨烯已经被应用于许多领域，例如，光调制器、吸收器、成像器件、光电探测器和宽带的起偏器等等。由于石墨烯单层仅仅只有单个原子层厚，在这些应用中的主要挑战就是如何增强光与石墨烯的相互作用，因而如何实现石墨烯单层的完全光吸收就成为趋势。
在中远红外波段，石墨烯有两个重要的特征。一个就是其电导率可以通过化学掺杂或静电开关来实现从近红外到太赫兹波段的调谐；另一个就是具有强的等离子响应，这将导致强的光与石墨烯相互作用。在这些波段，可以通过等离子谐振来实现石墨烯中的理想光吸收。相对来说，在可见和近红外波段(λ<2μm)，非掺杂石墨烯不能激发等离子响应。在光垂直入射时，石墨烯单层只能吸收2.3％的光能量。在这些波段，石墨烯类似于有损电介质材料，具有常数吸收。因而新的方法应当被提出来增强这些波段的光吸收。Liu等人提出利用一维光子晶体来增强石墨烯中的光吸收，其可以获得偏振无关的增强吸收，但是增强因子很小【在先技术1：Liu,etal.,Appl.Phys.Lett.101(5),052104(2012)】。Cai等人提出融合石墨烯单层和金属纳米结构的概念，可以在石墨烯单层中获得37.5％的吸收【在先技术2：Cai,etal.,Appl.Phys.Lett.106(4),043105(2015)】。Grande等人设计了一个简单的一维电介质光栅基的吸收器，利用光栅的导模谐振效应可以获得60％的光吸收【在先技术3：Grande,etal.,Opt.Express22,31511–31519(2014)】。Piper等人利用光子晶体的导模谐振效应实现了临界耦合，从而在石墨烯单层中获得了完全的光吸收【在先技术4：Piper,etal.,ACSPhotonics1(4),347–353(2014)】。Hu等人探讨了基于多层光栅结构的石墨烯纳米条中的增强吸收现象，但是完全的光吸收仅仅在光非垂直入射时可以实现【在先技术5：Hu,etal.,Appl.Phys.Lett.105,221113(2014)】。
矩形光栅通常是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术6：M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，当光垂直入射时，其在中心波长附近一个极窄波段范围内的入射光将被吸收，随着结构参数的变化，吸收光谱会发生频移，峰值吸收波长会随之发生频移，但是在各峰值波长处可始终保持近100％的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于4纳米。同时对于不同的入射波长，其吸收角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快速减小，具有很高的空间方向性，类似于天线的特性。因此，该超窄带光谱选择性吸收器具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于红外波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于该吸收器包括自上而下的电介质光栅层、单层石墨烯和布拉格光栅层，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。
最佳的吸收器的顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
特别是当吸收器的顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，底部布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米时：
(1)当光通信波段(1500-1600纳米)的光垂直入射时，其在中心波长1550纳米附近一个极窄波段范围内的入射光将被吸收，峰值吸收率接近100％，半高全宽小于4纳米，对于不同的入射波长，其吸收/辐射角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快速减小，具有很高的空间方向性，类似于天线的特性。
(2)具有使用灵活方便、峰值吸收率高，吸收的半高全宽很小和空间相关性较好等优点，是一种非常理想的光谱选择性吸收器件，利用光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，制作后的吸收器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明的用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构。
图中，1代表区域1(折射率为n1)，2代表电介质光栅层，3代表石墨烯单层，4代表布拉格光栅层，由N(N＝20)对低折射率电介质平板(折射率为nl)和高折射率层电介质平板(折射率为nh)组成，nl<nh。TE偏振光(电场方向沿着y轴)从区域1入射该器件。d为电介质光栅周期，w为电介质光栅脊宽，h为电介质光栅厚度，ha和hb分别为布拉格光栅的低折射率层和高折射率层的厚度。
图2是本发明要求范围内一个实施例的TE偏振光垂直入射时器件吸收率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的三个离散波长入射时的吸收率随入射角的变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明的用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构。图中，区域1是均匀的，为空气(折射率n1＝1)。TE偏振光垂直入射到该器件，TE偏振光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，即y轴。
由图可见，本发明用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其包括自上而下的电介质光栅层2、单层石墨烯3和布拉格光栅层4，其中顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，中间石墨烯层仅为单层石墨烯，底部布拉格光栅层由N(N＝20)对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，其厚度分别为340～350纳米和165～175纳米。
在如图1所示的几何结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术6】计算了该超窄带TE偏振光谱选择性吸收器在光通信波段范围内的吸收效率。我们利用严格耦合波理论【在先技术6】和模拟退火法则【在先技术7：W.Goffeetal.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的结构参数。
下面给出本发明的一个具体实施例，此时顶部电介质光栅的材料为硅(Si)，其折射率为3.48，中间非掺杂石墨烯单层的折射率，在可见光和近红外区域可以表示成【Bruna,etal.,Appl.Phys.Lett.2009,94,031901】:
n＝3.0+iC1λ0/3(1)
其中C1≈5.446μm-1，λ0为入射光波长，石墨烯单层的厚度为hg＝0.34nm.
布拉格光栅由20对低折射率的熔石英(SiO2)和高折射率的二氧化钛(TiO2)平板组成，它们的折射率分别为1.45和2.17。顶部电介质光栅的周期d＝575nm，脊宽w＝549nm，厚度h＝220nm，布拉格光栅的SiO2和TiO2层的厚度分别为ha＝345nm和hb＝170nm。
表1给出了本发明一系列实施例，λmax表示各吸收光谱的峰值波长，Amax表示吸收光谱的峰值波长处的吸收效率，FWHM表示透射光谱的半峰全宽。
图2是本发明要求范围内一个实施例的TE偏振光垂直入射时器件的吸收率随波长变化的曲线，由图可见，在中心波长1550纳米附近一个极窄的波带范围内的光将被吸收，中心波长处的峰值吸收为99.28％，透射光谱的半峰全宽(FWHM)为3.7纳米。
图3是图2中实施例的三个离散波长入射时的吸收率随入射角的变化曲线，从图中可以看出，对于不同的入射波长，吸收/辐射角不同，图中入射波长分别为λ1＝1549.9nm，λ2＝1536.7nm和λ3＝1511.3nm，它们的峰值吸收/辐射角分别为0°，4°和8°，角宽度分别为2.7°，0.65°和0.45°，具有很好的空间方向性，类似于传统的天线特性。
在制作本发明用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器时，适当选择顶部电介质光栅的周期、脊宽和厚度以及布拉格光栅的高低折射率层的厚度和折射率就可以得到吸收光谱线宽窄和空间方向性好的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器。
本发明的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，具有使用灵活方便、吸收光谱线宽窄、高空间方向性好等优点，是一种非常理想的吸收器件，利用光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，制作的吸收器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
表1TE偏振光垂直入射时峰值波长处的吸收效率

Claims (2)

1.一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于该吸收器包括自上而下的电介质光栅层(2)、单层石墨烯(3)和布拉格光栅层(4)，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于，所述的电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，所述布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米。
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