CN111505750B - 一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件，其横截面包括包覆层、石墨烯层、高折射率介质截断层以及多层膜结构元件。通过调节包覆层或其中某层结构的折射率或厚度，以特定角度输入光入射到布洛赫表面激元光学器件表面，将显著增强的光场限制在石墨烯表面，增强石墨烯与光的相互作用，激发布洛赫表面激元，实现反射相位的剧烈跳变，从而获得石墨烯表面古斯汉欣位移效应的显著增强。所提光学器件对于实现石墨烯在其潜在应用领域主要包括光通信中的光开关、光存储等光电器件以及传感领域的光学传感检测等具有十分重要的意义。

Description

一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件。

背景技术

当光束在界面发生反射时，当界面的反射率函数(包括强度和相位)不为常数时，将可能发生一系列非镜面反射现象。例如：光束中心在反射界面的入射点和出射点之间可以存在一定的侧向位移。这一现象首先由Goos和Hanchen通过实验证实，因而被称为古斯汉欣现象(Goos Hanchen effect)。作为非镜面反射的典型效应，古斯汉欣现象自被发现以来一度成为研究热点，在几十年间得到了深入研究。研究发现古斯汉欣现象的产生是由反射率函数中的角度相关的相位项的跳变引起的。对于接近准直的光束而言，古斯汉欣位移的大小由反射时光束经历的角度相关的相位跳变对于入射光波数的一阶导数决定。通常情况下，这种相位跳变不大，因此古斯汉欣位移的大小一般仅在波长量级，往往可被忽略。几十年来的研究发现可以通过材料的选择，如包括吸收材料、左手人工材料、金属薄膜、二维光子晶体、石墨烯等增强古斯汉欣效应。其中，由于石墨烯具备高电子迁移率和优良的光学特性，近年来的研究证明其可以有效增强古斯汉欣效应，因此石墨烯作为构成纳米光电器件的理想材料受到了广泛关注。

以往研究也发现，在两个材料界面上发生全反射时，在全反射角附近，即反射强度发生显著变化时，由于反射率函数的相位项会发生明显改变，从而可以产生古斯汉欣现象。此外，一些能产生倏逝波的结构中的古斯汉欣现象也被广泛研究，如表面等离子共振结构、金属包覆的光波导结构、双棱镜结构等。其中，基于表面等离子结构增强的石墨烯古斯汉欣效应已经被提出和研究，然而基于现有表面等离子结构的石墨烯增强的古斯汉欣位移大小通常在微米量级，不利于实现其在光子器件中的应用。除了表面等离子激元，存在于周期性的介质交替光子带隙中的布洛赫表面激元是另一种光学表面电磁波，这种模式存在于介质与介质的界面附近，其与存在于金属与介质表面的表面等离子激元有诸多的相似之处，两者均被约束在两种物质交界面处，引起交界面处的场增强，并且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。布洛赫表面激元被激发时，除了反射光强度的变化，还会产生剧烈的相位跳变，相位跳变可以有效增强包括古斯汉欣效应在内的非镜面反射效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有结构实现石墨烯古斯汉欣位移较小的问题，提供了一种显著增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件。

本发明提供的一种增强石墨烯古斯汉欣位移效应的布洛赫表面激元光学器件，其包括包覆层、缺陷层以及多层膜结构元件。

其中，缺陷层可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。

其中，所述多层膜结构元件可以是覆盖到包覆层表面，或者也可以是部分或全部嵌入包覆层中。

所述器件中缺陷层由石墨烯层、高折射率介质截断层构成。

所述器件中石墨烯层、高折射率介质截断层、多层膜结构元件的作用是可通过调节包覆层或其中某层结构的物理性质，进而在石墨烯表面激发布洛赫表面激元。

所述器件作用是通过以特定角度输入光入射到石墨烯层表面激发布洛赫表面激元，进而改变出射光的相位变化，以获得显著增强的古斯汉欣位移效应。对于入射光束的工作波长，该布洛赫表面激元光学器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，角度区间是指该结构在与缺陷层相邻的包覆层和石墨烯层的交界面处具有相位变化的角度范围，α为该角度区间下限，β为该角度区间上限。该结构在与缺陷层相邻的包覆层和石墨烯层的交界面处发生全反射的全反射临界角为γ，γ＜β。

所述器件可通过改变包覆层材料实现对包覆层折射率的控制；也可以利用热光效应、磁光效应、声光效应、电光效应、光克尔效应或弹光效应等，通过改变温度、磁场、声波场、电场、光强或应力等的大小，对包覆层、缺陷层以及多层膜结构元件中各层的折射率或厚度进行控制；从而改变器件产生的古斯汉欣位移的大小。

在一个实例中，所述器件中多层膜结构元件可以由两种或以上具有不同折射率的全介质材料层交替层叠形成；也可以由透明电介质、金属、吸收材料、左手人工材料等中的一种或多种组成。

在一个更优选实例中，多层膜结构元件依次包括透明电介质基底、多层介质材料层，其中多层介质材料层由两种或两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。

在一个实例中，所述高折射率介质层的材料折射率高于低折射率介质以及包覆层的材料折射率。

在一个实例中，低折射率介质和包覆层的材料可为相同材料或不同材料。

在一个实例中，低折射率介质和包覆层的材料折射率的最大值与所述高折射率介质层的材料折射率的比值小于0.75。

在一个实例中，所述布洛赫表面激元光子器件中高折射率介质截断层可采用二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆中的任何一种。

在一个实例中，所述布洛赫表面激元光子器件中低折射率介质材料可采用二氧化硅、二氟化镁、冰晶石中的任何一种。

其中，优选地，所述多层膜结构元件中的具有不同折射率的多层介质材料层中，可以是高折射率介质材料层与低折射率介质材料层交替叠加。其中，所述高折射率介质材料层与低折射率介质材料层中的高折射率和低折射率，是二者相对而言的；即高折射率介质材料层的折射率高于低折射率介质材料层的折射率。

其中，更优选地，所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料折射率可以相同或不同，或更优选地，所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料可以相同或不同，并优选相同，并更优选为所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料选自二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆中的任何一种。

在一个更优选实例中，多层膜结构元件中的多层介质材料层的高折射率介质材料采用二氧化钛；多层膜结构元件中的多层介质材料层的低折射率介质材料采用二氧化硅；缺陷层中的高折射率介质截断层采用二氧化钛。

所述布洛赫表面激元光子器件中多层膜结构元件中各个层的厚度选择使得在一定工作波长下，多层膜结构元件中可以产生光子带隙，进而激发布洛赫表面激元。

所述布洛赫表面激元光子器件中缺陷层中的高折射率介质截断层与多层介质材料层相接，可以用于调节布洛赫表面激元在光子带隙中的激发位置。

在一个实例中，多层膜结构元件中的第i层的厚度d_i由下式确定：

其中λ为传输光信号的波长，n_i、θ_i分别为第i层的介质折射率和光波在第i层的入射角。其中，i为1至所述多层膜结构最大层数之间的自然数。

在一个实例中，所述布洛赫表面激元光子器件中缺陷层中的高折射率介质截断层的厚度范围不大于所传输的光信号波长的0.2倍。

在一个实例中，所述布洛赫表面激元光子器件中缺陷层中的石墨烯层与高折射率介质截断层相接，且石墨烯层为单层或多层石墨烯，厚度为0.34nm-1.7nm。

在一个实例中，石墨烯层的厚度优选为0.34nm-1.7nm，更优选为0.34nm-1.36nm，更优选0.34-1.02nm，更优选为0.34-0.68nm。

本发明的增强石墨烯古斯汉欣位移效应的布洛赫表面激元光学器件具有以下优点：

1.本发明所设计的布洛赫表面激元光学器件采用石墨烯加载的截断多层膜结构，通过在石墨烯表面激发布洛赫表面激元时产生的反射光的相位跳变，可以获得石墨烯表面显著增强的古斯汉欣位移效应。

2.本发明所设计的布洛赫表面激元光学器件通过将显著增强的光场限制在石墨烯表面，增强石墨烯与光的相互作用，通过显著增强的古斯汉欣位移效应，可以有效实现石墨烯在新型光学和光电器件领域的应用

3.由于所提布洛赫表面激元光学器件与硅基半导体工艺的兼容性，易应用于高集成度的光子器件芯片中。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件结构示意图。

图2是实例1所述布洛赫表面激元光学器件结构示意图。图3是实例1所述布洛赫表面激元光学器件的局部放大图。

图4是工作波长为785nm时实例1所述布洛赫表面激元光学器件的反射光强随角度的变化曲线。

图5是工作波长为785nm时实例1所述布洛赫表面激元光学器件的反射相位随角度的变化曲线。

图6是工作波长为785nm时实例1所述布洛赫表面激元光学器件石墨烯层厚度为0.34nm时计算出的当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线。

图7是工作波长为785nm时实例1所述布洛赫表面激元光学器件的古斯汉欣位移效应随角度的变化曲线。

图8是实例2所述布洛赫表面激元光学器件结构示意图。

图9是实例2所述布洛赫表面激元光学器件的局部放大图。

图10是工作波长为785nm时实例2所述布洛赫表面激元光学器件的反射光强随角度的变化曲线。

图11是工作波长为785nm时实例2所述布洛赫表面激元光学器件的反射相位随角度的变化曲线。

图12是工作波长为785nm时实例2所述布洛赫表面激元光学器件石墨烯层厚度为0.34nm时计算出的当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线。

图13是工作波长为785nm时实例2所述布洛赫表面激元光学器件的古斯汉欣位移效应随角度的变化曲线。

具体实施方式

参照图1，本发明提供的增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件包括包覆层1；石墨烯层2；高折射率介质截断层3；多层膜结构元件4。石墨烯层2嵌入包覆层1中。图1中，高折射率介质截断层3、以及多层膜结构元件4的顶部的部分也嵌入包覆层1，但是并不是必须的。

本发明提供的增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件是具有一定反射率并同时具有较大反射相位变化的结构，其反射率和反射相位可由菲涅尔方程获得。如将其近似等效为一个反射面，其反射系数为r₁，大角度入射的入射光将在该反射面与发生全反射的界面之间产生多次反射与折射，则该光学相位器件的反射率Γ可近似描述为：

其中r₂为发生全反射的界面的反射系数；δ为经过多层介质材料层与全反射界面之间的区域所引入的相位差。由于|r₂|为1(全反射效应)，因此|Γ|也为1(如器件中其他介质无吸收损耗)。其中r₁在工作范围附近具有较大的与角度/波长相关的相位变化，而且也同时受角度与入射光波长影响：

其中λ为波长，n_g为石墨烯层折射率，d_g为石墨烯层厚度，θ_g为入射到石墨烯层的入射角度。当入射角度和波长固定时，整体结构的相位响应会受反射界面的反射系数r₂影响，当改变包覆层折射率时，整体相位相应发生变化，从而古斯汉欣位移大小发生变化；当改变石墨烯层厚度时，整体相位相应也会发生变化，从而古斯汉欣位移大小发生变化。

对于入射高斯光束，布洛赫表面激元增强的古斯汉欣位移的大小采用衍射理论获得。腰斑半径为w₀的高斯光束入射光场分布为:

因此反射平面的光场分布可通过下式给出:

仿照经典光束传输分析方法，x为光束平面坐标，下标i代表入射平面，r代表反射平面，x_i为入射平面坐标，x_r为反射平面坐标。θ为入射角度，k为光在入射介质中的波数，k_x为沿x方向的波数。(k_x-ksinθ)/cosθ为波数k_x相对与中心入射波数的发散度。由此得出反射平面处光束强度分布，进而由其质心移动得出古斯汉欣位移大小。

实施例1，10个周期多层介质材料层的布洛赫表面激元光学器件

图2是实例1所述布洛赫表面激元光学器件的结构示意图。图3是实例1所述布洛赫表面激元光学器件的局部放大图。201为包覆层，n_c为其折射率；202为缺陷层的石墨烯层，n_g为其折射率，d_g为其厚度；203为缺陷层的高折射率介质截断层，n_t为其折射率，d_t为其厚度；204为10个周期多层膜结构元件的多层介质材料层；205为多层膜结构元件的多层介质材料层的低折射率介质层，n_l为其折射率，d_l为其厚度；206为多层膜结构元件的多层介质材料层的高折射率介质层，n_h为其折射率，d_h为其厚度(多个低折射率介质层205、高折射率介质层206相互叠加构成多层介质材料层204)；207为多层膜结构元件的透明电介质基底。

在本实例中，工作波长选定为785nm，包覆层201的材料设为空气，其折射率为1；202的材料为石墨烯，在785nm波长处的折射率为3+i*1.425；高折射率介质截断层203的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；多层膜结构元件中的多层介质材料层204的多层介质材料层的周期数为10；多层介质材料层的低折射率介质层205的材料设为二氧化硅，其折射率为1.443；多层介质材料层的高折射率介质层206的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；透明电介质基底207的材料设为ZF10玻璃，其折射率为1.6748。

在本实例中，石墨烯202的厚度d_g＝0.34nm；高折射率介质截断层203的厚度范围为1～15nm；低折射率介质层205的厚度d_l＝300nm；高折射率介质层206的厚度d_h＝130nm。

使用菲涅尔方程和衍射理论对本实施例中的器件结构进行仿真，计算得到785nm波长处反射光的光强和相位特性以及古斯汉欣位移增强效应。

图4是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的反射光强随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层203的厚度d_t＝13nm。由图4可见，反射强度谱中出现的耦合吸收峰表征了所述光学器件表面布洛赫表面激元的激发。

图5是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的反射相位随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层203的厚度d_t＝13nm。由图5可见，布洛赫表面激元激发时，反射光束的相位分布发生了剧烈的跳变。

图6是工作波长为785nm时实例所述布洛赫表面激元光学器件石墨烯层厚度为0.34nm时计算出的当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线，其中高折射率介质截断层203的厚度d_t＝13nm。由图6可见，布洛赫表面激元激发时，反射光束相比没有古斯汉欣效应时产生了一个较大的侧向移动。

图7是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的古斯汉欣位移随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层203的厚度d_t＝13nm。由图7可见，布洛赫表面激元激发时，石墨烯表面的古斯汉欣位移显著增强，可以达到毫米级。

实施例2：8个周期多层介质材料层的布洛赫表面激元光学器件

图8是实例2所述布洛赫表面激元光学器件的结构示意图。图9是实例2所述布洛赫表面激元光学器件的局部放大图。801为包覆层，n_c为其折射率；802为缺陷层的石墨烯层，n_g为其折射率，d_g为其厚度；803为缺陷层的高折射率截断层，n_t为其折射率，d_t为其厚度；804为8个周期多层膜结构元件的多层介质材料层；805为多层膜结构元件的多层介质材料层的低折射率介质层，n_l为其折射率，d_l为其厚度；806为多层膜结构元件的多层介质材料层的高折射率介质层，n_h为其折射率，d_h为其厚度(多个低折射率介质层805、高折射率介质层806相互叠加构成多层介质材料层804)；807为多层膜结构元件的透明电介质基底。

在本实例中，工作波长选定为785nm，包覆层801的材料设为空气，其折射率为1；802的材料为石墨烯，在785nm波长处的折射率为3+i*1.425；高折射率介质截断层803的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；多层膜结构元件的多层介质材料层804的多层介质材料层的周期数为8；低折射率介质层805的材料设为二氧化硅，其折射率为1.443；高折射率介质层806的材料设为二氧化钛，其折射率为2.314；透明电介质基底807的材料设为ZF10玻璃，其折射率为1.6748。

在本实例中，石墨烯802的厚度d_g＝0.34nm；高折射率介质截断层803的厚度d_t的取值范围为1～15nm；低折射率介质层805的厚度d_l＝420nm；高折射率介质层806的厚度d_h＝105nm。

使用菲涅尔方程和衍射理论对本实施例中的器件结构进行仿真，计算得到785nm波长处反射光的光强和相位特性以及古斯汉欣位移增强效应。

图10是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的反射光强随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层803的厚度d_t＝15nm。由图10可见，反射强度谱中出现的耦合吸收峰表征了所述光学器件表面布洛赫表面激元的激发。

图11是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的反射相位随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层803的厚度d_t＝15nm。由图11可见，布洛赫表面激元激发时，反射光束的相位分布发生了剧烈的跳变。

图12是工作波长为785nm时实例所述布洛赫表面激元光学器件石墨烯层厚度为0.34nm时计算出的当包覆层分别为空气和水时的反射光束强度分布曲线，其中高折射率介质截断层803的厚度d_t＝15nm。由图12可见，布洛赫表面激元激发时，反射光束相比没有古斯汉欣效应时产生了一个较大的侧向移动。

图13是工作波长为785nm时实例所述增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件的古斯汉欣位移随角度的变化曲线，其中高折射率介质截断层803的厚度d_t＝15nm。由图13可见，布洛赫表面激元激发时，石墨烯表面的古斯汉欣位移显著增强，可以达到毫米级。

实例1和实例2的仿真结果表明，本发明所涉及的器件结构是可以通过调节多层介质材料层的结构来实现的。

综上，本发明基于布洛赫表面激元激发时所能产生的剧烈相位跳变，提供了一种有效增强石墨烯表面古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件，通过改变石墨烯和器件结构中各层的折射率或厚度，将显著增强的光场限制在石墨烯表面，实现布洛赫表面激元激发时反射相位的剧烈变化，从而获得石墨烯表面古斯汉欣效应的显著增强。所提光学器件对于实现石墨烯在其潜在应用领域主要包括光通信中的光开关、光存储等光电器件以及传感领域的光学传感检测等具有十分重要的意义。

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的增强古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种增强石墨烯古斯汉欣效应的布洛赫表面激元光学器件，其特征在于，包括包覆层、多层膜结构元件和夹在包覆层和多层膜结构元件之间的缺陷层；所述多层膜结构元件包括透明电介质基底与多层介质材料层，其中多层介质材料层由高折射率介质材料层与低折射率介质材料层交替叠加而成；所述缺陷层包括石墨烯层与高折射率介质截断层；

高折射率介质材料层的材料折射率高于低折射率介质材料层以及包覆层的材料折射率，低折射率介质材料层和包覆层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质材料层和包覆层的材料折射率的最大值与高折射率介质材料层的材料折射率的比值小于0.75；

多层膜结构元件中的第i层的厚度d_i由下式确定：

其中λ为传输光信号的波长，n_i为第i层的介质折射率，θ_i为光波在第i层的入射角，i为1至所述多层膜结构元件最大层数之间的自然数。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，对于入射光束的工作波长，该布洛赫表面激元光学器件在角度区间[α，β]内具有相位变化，该器件在与缺陷层相邻的包覆层和石墨烯层的交界面处发生全反射的临界角为γ，γ＜β。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件通过改变包覆层材料实现对包覆层折射率的控制；或者利用热光效应、磁光效应、声光效应、电光效应、光克尔效应或弹光效应，通过改变温度、磁场、声波场、电场、光强或应力的大小，对包覆层、缺陷层以及多层膜结构中各层的折射率或厚度进行控制，从而改变光学器件产生的古斯汉欣位移的大小。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述器件中高折射率介质材料采用二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆中的任何一种；所述器件中低折射率介质材料采用二氧化硅、二氟化镁、冰晶石中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述高折射率介质截断层厚度范围不大于所传输的光信号的波长的0.2倍。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料折射率相同。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述器件中石墨烯层与截断层相接，且石墨烯层为单层或多层石墨烯，厚度为0.34nm-1.7nm。

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