CN107390306A - 基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器 - Google Patents

基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器 Download PDF

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邵泓焰
刘冬冬
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Abstract

本发明提供一种基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，主要通过以单层石墨烯作为中红外波导，以外加电压作为调制手段，来实现石墨烯光学特性的局部可变性，从而实现有效折射率的周期性改变，达到作为布拉格反射器的目的。该反射器具有三层结构，包括石墨烯层，硅光栅基底以及中间二氧化硅绝缘层。光栅结构与外加电压共同影响了石墨烯表面的光学参数，如果通过引入不匹配的结构或外加电压，打破石墨烯上有效折射率的周期性，就能产生一个缺陷共振模，此时该结构可看做一个法布里‑珀罗腔，实现宽带滤波的效果。因此，还可以通过引入多个缺陷来实现可调多通道滤波功能，串联多缺陷结构和双对称法布里‑珀罗结构。此设计在基于石墨烯的光电子设备上展现了很多的潜在应用，尤其是在中红外光谱的低损耗超光谱成像传感器的发展。

Description

基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器
技术领域
本发明为一种新型石墨烯微纳光学器件，具体涉及一种基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器。
背景技术
石墨烯，是排列成蜂巢晶格状的单层碳原子，相比于传统金属波导，具有很多独特的优点，比如，低成本，低损耗，和高传输效率。同时，在中红外光谱区域，它又具有与金属材料类似的功能，即与入射光子耦合，激发出表面等离子体基元，并能在其表面传输。其独特的电子结构和动态可调性，使其在数据存储，通信，纳米电子和纳米光子方面有广泛的应用前景。
基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，其可调性主要依赖于石墨烯的费米能级可以通过外加电场来调节。一般来说，通过合理的设计布拉格光栅参数以及施加在结构上的电压，就可以有效的调节石墨烯表面的光学电导率，从而调节布拉格光栅反射器的工作范围。在此基础上，通过引入一个缺陷(布拉格光栅中间，保持对称性)，可实现宽带滤波的效果，同时，可以通过调节缺陷尺寸或者外加电压，来实现宽带内滤波峰的移动。进而引申到可调谐多通道滤波器的设计。
与传统滤波器相比，石墨烯表面等离子体滤波器有效的解决了由于衍射极限的限制而导致的体积庞大、难以集成等缺点。另外，与金属表面等离子体滤波器相比，石墨烯表面等离子体滤波器具有损耗低，效率高，光学参数可调节等特点。因此，石墨烯等离子材料为微纳光子器件的研制提供了新的途径
发明内容
本发明提供一种基于缺陷布拉格光栅的石墨烯表面等离子体滤波器，主要提供了一种通过改变施加在石墨烯和基底之间的电压来控制宽带滤波的范围以及谐振频率的方法。
本发明的技术方案如下：该基于缺陷布拉格光栅与石墨烯波导的表面等离子体滤波器包括对称的二氧化硅光栅基底，中间引入一个或多个缺陷结构，左右各三个周期，缺陷结构与正常周期部分之间需用硅间隔开。石墨烯层铺置于基底上端，中间用硅层隔开。电压施加在石墨烯及二氧化硅基底上。
本发明的有益效果如下：石墨烯表面等离子体滤波器由石墨烯-硅-二氧化硅三层结构组成，具有很大的可调节能力，和很强的光控制能力。结构简单、体积小，能和传统的光电器件有效结合，通过改变外加电压的大小，就可以对滤波范围以及透过波长实现有效地控制。本发明在中红外波段，在光集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的前提结构布拉格反射器示意图；
图2为石墨烯波导的有效折射率与电压和波长的关系；
图3为电压对布拉格反射器宽带位置的调节；
图4(1)布拉格光栅结构中引入一个缺陷的结构图及其滤波光谱图；(2)二缺陷结构轮廓及其滤波光谱图；(3)三缺陷结构轮廓及其滤波光谱图；
图5为双对称F-P结构及其多通道滤波光谱图。
具体实施方式
下面结合附图详细阐述本发明的实施方式：
本发明基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器主要由石墨烯，硅间隔层以及二氧化硅光栅基底三部分构成，详见图1。二氧化硅光栅可由激光刻蚀技术获得，而硅层和石墨烯层可通过外延生长系统制作。电压两级位于在石墨烯及二氧化硅上，当接入电压后，石墨烯的光学电导率会受到所处电场的调控，而该电场与电压值以及硅层厚度有关，详见图2，其中涉及的结构参数为t1＝5纳米，t2＝10纳米，w＝40纳米，Λ＝80纳米。中红外波段，当调控电压值在2.4伏--3.6伏之间时，反射器禁带出现在5.5微米--7.5微米的范围之内，而且禁带的位置与电压成线性调控，这样便可以通过改变电压来选择该器件需要的工作波长范围，详见图3。通过禁带位置确定好光栅电压Vbias之后，便可以在布拉格光栅中引入缺陷，如图4(1)中结构图所示，缺陷的长度为d＝100纳米，此时通过调节施加在此缺陷上的电压即可实现不同位置的单滤波效果。进一步，便可引入更多的缺陷来实现多通道的可调滤波效果。我们设计了两种方法，一种如图4(2)、(3)中所示，我们称为串联多缺陷结构，这里缺陷的宽度及施加电压是一致的，我们可以得到较好的可调多通道滤波效果，详见图4中光谱图。另一种方法是设计双对称的法布里-珀罗结构，缺陷长度保持一致，而施加在缺陷上的电压分为两端的以及中间的，两端的电压Vg保持同步变化，中间电压Vg'单独变化。通过保持一个不变，改变另一个，便可以得到不同的调节效果，详见图5。我们设计的这些基于布拉格光栅与石墨烯波导的多通道滤波器具有鲜明的特点：石墨烯波导在实际应用中可以实现较低的损耗，效率高；通过外加电压就可以调节滤波光谱，调节灵活；能和其他传统光电器件有效地匹配结合，兼容性好。

Claims (4)

1.基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，其特征为：该结构为石墨烯-二氧化硅-硅三层结构，电压两级加在石墨烯和硅上，在有缺陷的结构中，硅层应该用二氧化硅隔开，以便施加不同电压。
2.根据权利要求1所述的基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，其特征为：所述的硅层为布拉格光栅结构层，引入缺陷时保持光栅结构的对称。
3.根据权利要求2所述的基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，其特征为：所述的光栅结构除了引入的缺陷，应为左右各三个周期。
4.根据权利要求3所述的基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，其特征为：周期光栅部分施加的电压是一致的。
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