CN107748455B - 一种中红外可调谐窄带带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光学器件领域，具体是一种中红外可调谐窄带带通滤波器，包括有基底，自基底向顶层，依次设置第一、二、三电介质镀层、石墨烯层、第四、五电介质镀层、光栅层、第六、七、八和九电介质镀层；其中基底、第二、五、六和八电介质镀层为低折射率材料，第一、三、四、七和九电介质镀层为高折射率材料。由于光栅层的衍射效应，产生衍射波，在电介质镀层内形成导模共振，电磁场能量主要集中在第三和第四电介质镀层内，改变石墨烯的费米能，从而改变石墨烯的折射率，实现导模共振峰位的改变，最终实现透射峰的调谐。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学器件领域，具体是一种中红外可调谐窄带带通滤波器。
背景技术
由于中红外波段含有气体分子的基频吸收带和大气透射窗口，使得中红外波段器件和设备备受人们关注。迄今，中红外器件已在空间大气环境监测、光通信以及医疗诊断等多方面有着广泛的应用。滤波器是一种可实现波长选择的器件，可应用于放大器的噪声滤除、波长选择和波分复用等等。另外，滤波器还是非分光红外应用的核心器件，可以实现对特定分子吸收带进行波长选择。但一般滤波器中心波长都采用固定模式，不利于多组分测量应用场合的经济性，因此发展可调谐中红外滤波器就显得十分必要。
石墨烯是一种准二维材料，在强度、导电、柔韧、光学和导热等方面具有优异的特性，石墨烯电导率可以由所加电压改变，使得石墨烯广泛应用于光动态调控器件。另一方面，由于电控方案具有易操作性，使得基于石墨烯的光动态调控器件具有极大的实用价值。迄今，基于石墨烯中红外波段滤波器带宽都在10nm以上(Plasmonics(2014)9:1239-1243)，为提高滤波器分辨率，需发展带宽更窄的可调谐中红外滤波器。发明专利(申请号：201710909586.7)提出了一种中红外窄带可调谐滤波器，但是这种滤波器属于带阻模式，为适应新的应用场合，需发展中红外波段可调谐带通滤波器。
发明内容
本发明的目的是提供一种中红外窄带可调谐带通滤波器，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种中红外可调谐窄带带通滤波器，包括有基底，自基底向顶层，依次设置第一电介质镀层、第二电介质镀层、第三电介质镀层、石墨烯层、第四电介质镀层、第五电介质镀层、光栅层、第六电介质镀层、第七电介质镀层、第八电介质镀层和第九电介质镀层；其中基底、第二电介质镀层、第五电介质镀层、第六电介质镀层和第八电介质镀层为低折射率材料，第一电介质镀层、第三电介质镀层、第四电介质镀层、第七电介质镀层和第九电介质镀层为高折射率材料。
优选地，所述第三电介质镀层和第四电介质镀层材料相同。
优选地，所述高折射镀层厚度小于低折射率镀层厚度。
优选地，所述基底折射率低于第一电介质镀层的折射率。
优选地，所述第三电介质镀层和第四电介质镀层的厚度之和与其他高折射率电介质镀层的厚度相等。
优选地，所述第一、七和九电介质镀层的厚度分别为340～500nm，第三和第四电介质镀层的厚度分别为170～250nm。
优选地，所述第二、五、六和八电介质镀层的厚度分别为600～800nm。
优选地，所述光栅层厚度为740～940nm。
优选地，所述光栅层中低折射率材料宽度为720～1680nm。
优选地，所述高折射率材料为氮化硅，低折射率材料为二氧化硅。
本发明的优点在于：
本发明设计了一种基于石墨烯新型滤波器结构，通过调谐偏置电压实现石墨烯费米能变化，最终实现了横电(TE)偏振光窄带透射峰位可调谐，满足了透射峰位动态变化需求。
附图说明
图1为本发明中红外窄带可调谐滤波器的结构示意图，其在Y方向上是周期结构，电磁波沿着Z方向传播。
图2为实施例1使用本发明中红外可调谐窄带滤波器时的结构透射光谱图。
图3为实施例2使用本发明中红外可调谐窄带滤波器时的结构透射光谱图。
图4为实施例3使用本发明中红外可调谐窄带滤波器时的结构透射光谱图。
图5为实施例4使用本发明中红外可调谐滤窄带波器时的结构透射光谱图。
图6为实施例5使用本发明中红外可调谐窄带滤波器时的结构透射光谱图。
附图标记：
1，基底；2，第一电介质镀层；3，第二电介质镀层；4，第三电介质镀层；5，石墨烯层；6，第四电介质镀层；7，第五电介质镀层；8，光栅层；9，第六电介质镀层；10，第七电介质镀层；11，第八电介质镀层；12，第九电介质镀层。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
如图1所示，一种中红外可调谐窄带带通滤波器，包括有基底1，基底1上设有三层电介质镀层，自基底向顶层，为确保形成高效共振透射，第一电介质镀层2折射率须高于基底，第二电介质镀层3是低折射率材料，第三电介质镀层4是高折射率材料。为实现共振波长变化，在第三电介质镀层4上放置有石墨烯层5，在石墨烯上设有第四电介质镀层6(高折射率)和第五电介质镀层7(低折射率)，在第五电介质镀层7上，设置有光栅层8，光栅层的作用是产生衍射波。在光栅层8上依次设置第六电介质镀层9(低折射率)、第七电介质镀层10(高折射率)、第八电介质镀层11(低折射率)和第九电介质镀层12(高折射率)。改变偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现横电(TE)偏振光可调谐窄带透射。
其中，石墨烯层上下两侧的第三和第四电介质镀层厚度相等。
图1中所示带通滤波器在Y方向上是周期结构。入射平面TE偏振电磁波(电矢量方向与X轴一致)沿上层向基底方向垂直入射，由于光栅层的衍射效应，产生衍射波，在电介质镀层内形成导模共振，电磁场能量主要集中在第三和第四电介质镀层内，改变石墨烯的费米能，从而改变石墨烯的折射率，实现导模共振峰位的改变，最终实现透射峰的调谐。
实施例1
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2400nm,w＝1200nm,t1＝t8＝t10＝420nm，t2＝t5＝t7＝t9＝700nm，t3＝t4＝210nm，t6＝840nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，高折射率电介质膜层材料为氮化硅(折射率为2.4)，低折射率电介质膜层材料为二氧化硅(折射率为1.44)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的透射结果如图2所示，透射带宽小于5.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的透射峰从4371.7nm调谐至4354.0nm。由此可见，该器件通过改变石墨烯费米能实现了滤波器透射峰位调谐。
实施例2
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2400nm,w＝1200nm,t2＝t5＝t7＝t9＝700nm，t6＝840nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，高折射率电介质膜层材料为氮化硅(折射率为2.4)，低折射率电介质膜层材料为二氧化硅(折射率为1.44)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算高折射率镀层厚度不同时得到的透射光谱如图3所示，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当t1＝t8＝t10＝340nm，t3＝t4＝170nm，对应的透射峰从4233.8nm调谐至4216.3nm，透射带宽依然小于5.0nm，见图3(a)；当t1＝t8＝t10＝500nm，t3＝t4＝250nm，对应的透射峰从4492.9nm调谐至4475.4nm，透射带宽小于5.0nm，见图3(b)。
实施例3
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2400nm,w＝1200nm,t1＝t8＝t10＝420nm，t3＝t4＝210nm，t6＝840nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，高折射率电介质膜层材料为氮化硅(折射率为2.4)，低折射率电介质膜层材料为二氧化硅(折射率为1.44)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算低折射率镀层厚度不同时得到的透射光谱如图4所示，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当t2＝t5＝t7＝t9＝600nm，对应的透射峰从4402.7nm调谐至4384.7nm，透射带宽依然小于5.0nm，见图4(a)；当t2＝t5＝t7＝t9＝800nm，对应的透射峰从4343.5nm调谐至4326.1nm，透射带宽小于5.0nm，见图4(b)。
实施例4
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2400nm,w＝1200nm,t1＝t8＝t10＝420nm，t2＝t5＝t7＝t9＝700nm，t3＝t4＝210nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，高折射率电介质膜层材料为氮化硅(折射率为2.4)，低折射率电介质膜层材料为二氧化硅(折射率为1.44)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)
采用严格耦合波分析方法，计算光栅层厚度不同时得到的透射光谱如图5所示，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当t6＝740nm，对应的透射峰从4371.0nm调谐至4353.8nm，透射带宽依然小于5.0nm，见图5(a)；当t6＝940nm，对应的透射峰从4372.2nm调谐至4354.2nm，透射带宽小于5.0nm，见图5(b)。
实施例5
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2400nm,t1＝t8＝t10＝420nm，t2＝t5＝t7＝t9＝700nm，t3＝t4＝210nm，t6＝840nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，高折射率电介质膜层材料为氮化硅(折射率为2.4)，低折射率电介质膜层材料为二氧化硅(折射率为1.44)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的透射结果如图6所示，透射带宽小于5.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当光栅中低折射率材料宽度为720nm时，对应的透射峰从4401nm调谐至4386.3nm，见图6(a)；当光栅中低折射率材料宽度为1680nm时，对应的透射峰从4369.8nm调谐至4352.0nm，见图6(b)。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：包括有基底，自基底向顶层，依次设置第一电介质镀层、第二电介质镀层、第三电介质镀层、石墨烯层、第四电介质镀层、第五电介质镀层、光栅层、第六电介质镀层、第七电介质镀层、第八电介质镀层和第九电介质镀层；其中基底、第二电介质镀层、第五电介质镀层、第六电介质镀层和第八电介质镀层为低折射率材料，第一电介质镀层、第三电介质镀层、第四电介质镀层、第七电介质镀层和第九电介质镀层为高折射率材料。
2.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第三电介质镀层和第四电介质镀层材料相同。
3.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述基底折射率低于第一电介质镀层的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述高折射率的电介质镀层厚度小于低折射率的电介质镀层厚度。
5.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第三电介质镀层和第四电介质镀层的厚度之和与其他高折射率电介质镀层的厚度相等。
6.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第一、七和九电介质镀层的厚度为340~500nm，第三和第四电介质镀层的厚度为170~250nm。
7.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述第二、五、六和八电介质镀层的厚度为600~800nm。
8.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述光栅层厚度为740~940nm。
9.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述光栅层中低折射率材料宽度为720~1680nm。
10.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐窄带带通滤波器，其特征在于：所述高折射率材料为氮化硅，低折射率材料为二氧化硅。
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