CN114879289B - 免转移石墨烯多功能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及吸波体材料领域，公开了一种免转移石墨烯多功能器件，本发明多功能器件包括依次相叠的顶部镜子1、光子晶体缺陷腔2、底部镜子3以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石4、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯5以及光栅6；所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅，本发明利用临界耦合原理、光子晶体缺陷腔和Fano共振原理，设计了工作在近红外的蓝宝石衬底石墨烯的免转移石墨烯多功能器件，实现了在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能的技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及吸波体材料领域，特别是涉及一种免转移石墨烯多功能器件。
背景技术
光通信具有低延时、大容量、高速率的特点，是未来通讯发展的焦点。传统光通讯设备的光模块中，探测、调制、滤波往往是分立的，但是随着全息投影、人工智能等高科技领域的发展，信息数据量将呈几何增长，分立模块存在体积、功耗难以下降等缺点，难以适应未来通讯技术的发展需求。因此，在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能能够为实现紧凑、高效的可调谐器件做好铺垫。
因此，如何在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能成为了一个亟待解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种免转移石墨烯多功能器件，旨在解决现有技术无法在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种免转移石墨烯多功能器件，所述多功能器件包括依次相叠的顶部镜子(1)、光子晶体缺陷腔(2)、底部镜子(3)以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石(4)、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯(5)以及光栅(6)；所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅；所述顶部镜子和底部镜子均是由硅和二氧化硅堆栈而成的分层结构，顶部镜子表示为(B/A)n，底部镜子表示为(B/A)m，A代表二氧化硅，B代表硅，n为前端镜子的层数，m为后端镜子的层数，二氧化硅的介电常数εA＝3.9。
可选地，所述多功能器件工作波长为1.55μm。
可选地，所述蓝宝石厚度为5μm，所述单层石墨烯厚度为0.34nm，所述光栅周期为p1，光栅的脊之间的间隙由空气填充，占空比为η1＝w1/p1，w1为光栅栅脊宽度。
本发明多功能器件包括依次相叠的顶部镜子1、光子晶体缺陷腔2、底部镜子3以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石4、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯5以及光栅6；所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅，本发明利用临界耦合原理、光子晶体缺陷腔和Fano共振原理，设计了工作在近红外的蓝宝石衬底石墨烯的免转移石墨烯多功能器件，实现了在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能的技术效果。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2为本发明实施例中G-on-P多功能器件吸收、传输、反射响应示意图；
图3为本发明实施例中G-on-P多功能器件四个谐振模式的电场分布图；
图4为本发明实施例中G-on-P多功能器件吸收响应随周围环境折射率增长的变化图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明为一种免转移石墨烯多功能器件，所述多功能器件包括依次相叠的顶部镜子(1)、光子晶体缺陷腔(2)、底部镜子(3)以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石(4)、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯(5)以及光栅(6)；所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅；所述顶部镜子和底部镜子均由硅和二氧化硅堆栈而成的分层结构，顶部镜子表示为(B/A)n底部镜子表示为(B/A)m，A代表二氧化硅，B代表硅，n为前端镜子的层数，m为后端镜子的层数，二氧化硅的介电常数εA＝3.9。
在具体实施中，SiO2的介电常数εA＝3.9，厚度Si的介电常数εA＝11.9，厚度/>λ0为中心频率对应波长。该结构在y方向被视为无限扩展，且结构底部位于z＝0的平面上。RCWA仿真过程中将TE极化波在y方向从空气入射到谐振器的入射角角度设为0°，即θ＝0°，带隙范围可由以下公式计算计算：
其中f0是设置的中心频率，假设f0＝193THz，Δf的范围从159.6THz-227.5THz。在这个范围内，系统成为单端口网络。所述免转移石墨烯多功能器件工作波长为1.55μm。
需要说明的是，蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构(Gating-on-PhotonicCrystal，G-on-P)。G-on-P结构具有三个可调近100％吸波模式，其中两个高Q模式可以被应用于光信号探测。三个吸波模式均可在不改变器件结构的基础上，通过改变石墨烯化学势实现吸波率的调节，具有良好的开关特性。同时，由于设计时引入了一个由光子晶体缺陷腔控制的缺陷模式，因此该器件具备良好的滤波特性。
在具体实施例中，所述蓝宝石厚度为5μm，所述单层石墨烯厚度为0.34nm，所述光栅周期为p1，光栅的脊之间的间隙由空气填充，占空比为η1＝w1/p1，w1为光栅栅脊宽度。
可以理解的是，G-on-P结构中，光子晶体整体视为一个Bragg镜子，以打破单层薄膜吸收极限，为器件创造临界耦合条件。其中插入的缺陷层打破了底部光子晶体禁带，创造出一个传输通带。针对缺陷腔，顶部镜子(BA)n起到匹配作用，底部镜子(BA)m的层数m直接影响传输模式。
在具体实施例中，材料的介电常数是波长的函数，在低频波段变化不明显，但是在高频波段(近红外、可见光)有明显的变化。蓝宝石在近红外波段的相对介电常数(εSa)在数值上比其低频时的介电常数有大幅度的降低(εSa＝3.05)，同样在入射光为近红外波段二氧化硅的介电常数也比低频段时明显下降，硅的介电常数在近红外波段则为εSi＝12.11。
在计算过程中，与太赫兹波段省略石墨烯带内电导率(σ)不同，在近红外区域σ使用L.A.Falkovsky提出的计算方法即公式。G-on-P结构石墨烯多功能光电器件吸收、传输响应分析为了获得接近100％吸收，G-on-P结构经优化后的结构参数如表1所示：
表1 G-on-P石墨烯多功能光电器件优化参数表
优化后器件的吸收、透射、反射光谱如图2所示。模式1在188.8401THz处吸收率为95.73％，模式2在190.4348THz处吸收率为91.78％，模式3在193.6148THz处传输率为92.64％，模式4在197.8254THz处吸收率为96.05％。模式1-4的Q值分别为16712、6658.6、379.3和826.68。其中模式1和模式2为两个高Q模式，高Q模式一般对环境的变化敏感，可以探测下环境改变下谐振腔与介质相互作用细微的改变。
在具体实施例中，如图3所示，(a)(b)(c)(d)中分别显示了模式1-4中的电场分布，其中黑色虚线代表缺陷腔C，黑色实线为单层石墨烯，白色实线为光栅结构。从图中可以看出，模式1/2/4的电场分布体呈现出了明显的Fano共振特性，最强电场分别分布于光栅顶部、顶部镜子和光栅底部，并没有集中在石墨烯单层或者光栅结构附近，石墨烯薄膜的吸收强度取决于临界耦合条件，而不是石墨烯单层处或者谐振结构处的电场强度。最大电场强度虽然不一定对石墨烯单层的吸收率有显著贡献，但是对吸收模式的Q值大小有显著影响，最大电场强度越大，吸收模式Q值越高。
可以理解的是，通过光谱灵敏度S和品质因数FoM来衡量器件的探测特性，它们的表达式为：
S＝Δf″/Δn
FoM＝S/FWHM
其中Δn是折射率的改变，Δf″是光谱的光谱位移，FWHM为半波全峰。
假设该结构被空气包围，空气折射率大约在1附近波动，通过计算S进一步可得FoM。模式1和模式2的探测特性分别如图4(a)(b)所示。经过计算，模式1和模式2的S、FWHM和FoM值如表2所示，其中模式1和模式2的FoM分别为565和24.63，因此具有出色的探测特性。
表2模式1和模式2灵敏度参数表
利用临界耦合原理，光子晶体缺陷腔原理和Fano共振原理，设计了工作在近红外的蓝宝石衬底石墨烯多功能G-on-P吸波器件，在188.8401THz、190.4348THz和197.8254THz时产生了时吸收率为95.73％、91.78％和96.05％三个吸波模式，在193.6148THz出产生传输率为92.64％的传输模式，吸波模式的Q值分别为16712、6658.6和826.68，具有灵活的可调性以及极高的灵敏度。设计的蓝宝石衬免转移石墨烯多功能光电器件为未来智能光电器件的研究提供了新的思路。
在本实施例中，多功能器件包括依次相叠的顶部镜子1、光子晶体缺陷腔2、底部镜子3以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石4、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯5以及光栅6；所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅，本发明利用临界耦合原理、光子晶体缺陷腔和Fano共振原理，设计了工作在近红外的蓝宝石衬底石墨烯的免转移石墨烯多功能器件，实现了在同一光器件中同时实现调制、探测及滤波功能的技术效果。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
Claims (3)
1.一种免转移石墨烯多功能器件，其特征在于：所述多功能器件包括依次相叠的顶部镜子(1)、光子晶体缺陷腔(2)、底部镜子(3)以及蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构；
所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具体结构为：蓝宝石(4)、附着在蓝宝石表面的单层石墨烯(5)以及光栅(6)；所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构具有三个吸波模式；三个所述吸波模式在不改变所述蓝宝石光栅光子晶体多功能吸波结构的基础上，通过改变所述单层石墨烯的化学势实现吸波率的调节；
所述光子晶体缺陷腔为二氧化硅；所述光栅为硅；
所述顶部镜子和底部镜子均是由硅和二氧化硅堆栈而成的分层结构，顶部镜子表示为(B/A)n，底部镜子表示为(B/A)m，A代表二氧化硅，B代表硅，n为前端镜子的层数，m为后端镜子的层数，二氧化硅的介电常数εA＝3.9。
2.如权利要求1所述的一种免转移石墨烯多功能器件，其特征在于，所述多功能器件工作波长为1.55μm。
3.如权利要求1所述的一种免转移石墨烯多功能器件，其特征在于，所述蓝宝石厚度为5μm，所述单层石墨烯厚度为0.34nm，所述光栅周期为p1，光栅的脊之间的间隙由空气填充，占空比为η1＝w1/p1，w1为光栅栅脊宽度。
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