CN109326854B

CN109326854B - 一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器

Info

Publication number: CN109326854B
Application number: CN201811051702.7A
Authority: CN
Inventors: 肖功利; 杨秀华; 黄文海; 李海鸥; 傅涛; 孙堂友; 张法碧
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: CN109326854A

Abstract

本发明公开一种基于石墨烯中红外可调谐带阻滤波器，其包括介质层和石墨烯层组成，介质层上铺有周期结构石墨烯层，周期单元结构均呈交叉领结形，其由纵向和横向领结形均匀垂直叠加构成，纵向和横向领结形完全相同；单领结形单领结形由一个矩形和两个等腰梯形组成，矩形的两端分别与两个完全一致的等腰梯形相接；所有纳米石墨烯单元均在介质层上以矩阵形式排列。本发明滤波器具有双模式可调谐特性，通过改变外加偏置电压或者化学掺杂来调节石墨烯化学势变化，进而实现频段的选择性。本发明适用范围广，调节度高，体积小，集成度高，便于加工，选频特性好，因而在全光网络中有潜在的应用前景。

Description

一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子器件领域，具体是一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器。

(二)背景技术

任何物质的分子都是由原子通过化学键联结起来而组成的，分子在发生振动能级跃迁时，需要一定的能量，这个能量通常由辐射体系的红外光来供给。而中红外波段因其涵盖了分子的振动能级，使得人们可以通过红外光谱特征实现推测化合物可能存在的基团，实现利用红外吸收光谱的分子共振指纹来鉴别各种化合物质，因而使得中红外光谱技术备受人们的关注而广泛应用于环境污染监测、生物医学以及光通信等领域成为国内外研究的热点。基于以上应用背景，滤波器作为红外光谱检测的重要无源器件，具有特征选频和滤噪等作用，在微波通信、雷达、微波测量等领域具有重要的应用价值而被广泛研究。此外，非分光红外是滤波器在中红外波段另一典型应用，其虽可以实现对特定分子吸收带进行频率选择，但由于传统滤波器大多采用中心波长固定模式，因而使用过程中限制了其应用的灵活性。基于此，为了克服上述缺陷，满足动态滤波需求，发展中红外波段可调谐滤波器显得十分必要。

石墨烯是一种由碳原子以正六边形晶格蜂窝状结构排列而成的二维纳米材料，其具有优异的导热、导电、光学、电学和力学等特性，更重要的是它还具有对称锥型零带隙结构，拥有极高的电子和空穴迁移率，并可以通过外加偏置电压或者化学掺杂来改变载流子浓度实现石墨烯表面电导率调控，进而实现光电器件在工作时动态可调，基于石墨烯这一独特的性质，使得石墨烯中红外滤波器具有巨大的实用价值，但是现有报道的基于石墨烯中红外带阻滤波器仅存在单频带特性，这样在某些方面限制了其应用范围，为了克服这类滤波器的缺陷，需发展基于石墨烯中红外波段多功能可调谐带阻滤波器。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，以克服现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其由介质层和石墨烯层组成，介质层上铺有周期结构石墨烯层，每个周期单元结构均呈交叉领结形，其由纵向和横向领结形均匀垂直叠加构成，纵向和横向领结形完全相同；单领结形由一个矩形和两个等腰梯形组成，矩形的两端分别与等腰梯形相接，两个等腰梯形完全一致；所有纳米石墨烯单元均在介质层上呈矩阵形式排列。

上述技术方案可采用如下优选方式：

所述的介质层材料为二氧化硅，折射率为1.44；所述的纵向领结形石墨烯长度为130nm～170nm；所述的横向领结形石墨烯长度为130nm～170nm；所述的矩形石墨烯宽度为30nm；所述的交叉领结形石墨烯单元周期为240nm；所述的相邻梯形距离长度为20nm～60nm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明设计了一种基于石墨烯的新型滤波器。利用石墨烯的优异特性，通过改变外加偏置电压或者化学掺杂来实现石墨烯化学势变化，进而实现横向偏振光透射谷位置的可调谐，满足透射谷值动态调控的需求，大大提高了滤波器的利用率，在实际中具有灵活调谐特性。

2、在本发明滤波器具有结构简单，体积小，集成度高，便于加工，性能优良及实用性强等优势，具体的效果将在实施方式中详解。

(四)附图说明

图1为一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器的立体结构示意图。

图2为一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器的单周期二维结构示意图。

图3为本发明不同石墨烯化学势的透射光谱曲线图。

图4为本发明不同纵向领结形石墨烯长度的透射光谱曲线图。

图5为本发明不同横向领结形石墨烯长度的透射光谱曲线图。

图6为本发明不同相邻梯形距离长度的透射光谱曲线图。

图中标号：1、交叉领结形石墨烯；2、介质层；1-1、交叉领结形石墨烯结构梯形部分；1-2、交叉领结形石墨烯结构矩形部分；1-3、交叉领结形石墨烯结构梯形部分。

(五)具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步解释说明，以下实施例仅对本发明进行说明并非对其加以限制。

如图1～2所示，一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，由介质层2和石墨烯层1组成。介质层2上表面铺有周期性交叉领结形结构石墨烯层1，交叉领结形结构石墨烯由纵向(y轴方向)和横向(x轴方向)领结形均匀垂直叠加构成，纵向与横向领结形完全相同；单领结形由一个矩形1-2和两个等腰梯形1-1、1-3组成，矩形1-2的两端分别与等腰梯形1-1、1-3的上底边相接，两个等腰梯1-1、1-3形完全一致；所有纳米石墨烯单元结构均在介质层上呈矩阵形式排列。入射光波从石墨烯层1的上表面垂直向下入射，从介质层2下表面出射；或者入射光波从介质层2的下表面垂直向上入射，从石墨烯层1上表面出射。

所需结构参数为：L为矩形长度(即为两梯形的距离)，D为矩形宽度(即为梯形上底)，I为梯形下底长度，S为梯形腰长度，h为梯形的高，H₁为纵向领结形长度，H₂为横向领结形长度，W为相邻梯形之间距离，P为交叉领结形石墨烯周期。其中变化参数为

L＝H₁-2h(或L＝H₂-2h)，

(或

)，h＝I/2+10(I、S和L随着W的变化而变化)，其余结构参数初始化为D＝30nm，H₁＝170nm，H₂＝170nm，W＝30nm，P＝240nm。

图3为本发明不同石墨烯化学势的透射光谱曲线图，图中横坐标表示为入射光波长,纵坐标为光出射透射率(即透射系数)，在H₁＝170nm，H₂＝140nm，W＝30nm，D＝30nm，P＝240nm保持不变下，图中5种不同的透射光谱曲线分别为不同石墨烯化学势μ_c依次为0.74eV、0.78eV、0.82eV、0.86eV、0.90eV时模拟得出的结果。从图中结果可见，随着石墨烯化学势μ_c增大，第一个透射谷的共振波长从3195.1nm有规律地蓝移到2852.1nm，透射谷的透射率幅度波动较小；第二个透射谷的共振波长从4935.3nm有规律地蓝移到4434.8nm，透射谷的透射率有微略波动。阻带透射率可低至3.8％，通带透射率可高达96.6％，且顶部分布平滑。此现象表明了通过改变石墨烯的化学势可以有效地调节透射谱的共振位置及大小，进而实现了通道的选频性能。

图4为本发明不同纵向领结形石墨烯长度的透射光谱曲线图，图中横坐和纵坐标表示与图3一致，在H₂＝170nm，W＝30nm，D＝30nm，P＝240nm，μ_c＝0.9eV保持不变条件下，图中5种不同的透射光谱曲线分别为不同纵向领结形石墨烯长度H₁依次为130nm、140nm、150nm、160nm、170nm时模拟得出的结果。从图中结果可见，随着纵向领结形石墨烯长度H₁增大，第一个透射谷的共振波长从2484.3nm有规律地红移到2864.3nm，透射谷的透射率逐渐减小，阻带透射率可低至1.1％；第二个透射谷的共振波长与透射率几乎没有变化。因此通过改变纵向领结形石墨烯长度可以有效调节第一个透射谷的共振波长和透射率。证明其在低频段的选频特性可以根据实际需要进行调控。

图5为本发明不同横向领结形石墨烯长度的透射光谱曲线图，图中横坐和纵坐标表示与图3一致，在H₁＝170nm，W＝30nm，D＝30nm，P＝240nm，μ_c＝0.9eV不变条件下，图中5种不同的透射光谱曲线分别为不同纵向领结形石墨烯长度H₂依次为130nm、140nm、150nm、160nm、170nm时模拟得出的结果。从图中结果可见，随着横向领结形石墨烯长度H₂增大，第二个透射谷的共振波长从4047.4nm有规律地红移到5878.7nm，透射谷的透射率微略减小，阻带透射率可低至1.2％；第一个透射谷的共振波长与透射率几乎没有变化。通过改变横向领结形石墨烯长度可以有效调节第二个透射谷的共振波长和透射率。这表明其在高频段的选频特性可以根据实际需要进行选择。

图6为本发明不同相邻梯形距离的透射光谱曲线图，图中横坐和纵坐标表示与图3一致，在H₁＝170nm，H₂＝170nm，D＝30nm，P＝240nm，μ_c＝0.9eV不变条件下，图中5种不同的透射光谱曲线分别为不同纵向领结形石墨烯长度W依次为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm时模拟得出的结果。从图中结果可见，随着相邻梯形距离长度W增大，第一个透射谷的共振波长从2993.5nm有规律地蓝移到2446.4nm，透射谷的透射率逐渐增大，阻带透射率可低至0.8％；第二个透射谷的共振波长从5174.4nm有规律地蓝移到4271.1nm，透射谷透射率基本保持不变。通过调节相邻梯形距离长度可以有效改变两个透射谷的共振波长位置。这说明其可以根据实际需要来实现双通道的选频特性。因此，可见该结构很好的实现可调滤波功能。

以上所述实施方式仅仅是对本发明进行了具体说明，并非是限制于本发明范围，在不脱离本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员对本发明的技术方案做出各种等同的变形或改进，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征包括石墨烯层(1)和介质层(2)，介质层(2)为二氧化硅薄膜，交叉领结形石墨烯结构以周期性排布在介质层(2)上表面，交叉领结形石墨烯结构由纵向和横向领结形石墨烯均匀垂直叠加构成，纵向与横向领结形石墨烯完全相同；单领结形石墨烯由一个矩形石墨烯(1-2)和两个等腰梯形石墨烯(1-1、1-3)组成，矩形石墨烯的两端分别与等腰梯形石墨烯相接，两个等腰梯形石墨烯(1-1、1-3)完全一致；所有纳米石墨烯单元均在介质层(2)上呈矩阵形式排列，入射光波入射到交叉领结形石墨烯时，会发生共振耦合，交叉领结形石墨烯中的等腰梯形石墨烯边缘角局域强大电场，使得谐振器体现出带阻滤波特性。

2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征在于：交叉领结形石墨烯长度和宽度介于130nm～170nm。

3.根据权利要求1所述一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征在于：交叉领结形石墨烯单元周期为240nm。

4.根据权利要求1所述一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征在于：矩形石墨烯宽度为30nm。

5.根据权利要求1所述一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征在于：等腰梯形石墨烯相邻距离介于20nm～60nm。

6.根据权利要求1所述一种基于石墨烯的中红外可调谐带阻滤波器，其特征在于：石墨烯化学势μ_c介于0.74eV～0.9eV。