CN215415966U

CN215415966U - 一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器

Info

Publication number: CN215415966U
Application number: CN202122039061.7U
Authority: CN
Inventors: 刘芳梅
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-08-25

Abstract

本实用新型提供了一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，属于光学技术领域。包括若干第一电介质层和若干第二电介质层，记第一电介质层为A、第二电介质层为B，所述Cantor光子晶体的序列序号为N＝2，第一电介质层、第二电介质层的排列规则为：ABABBBABA；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质；第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自折射率对应的1/4光学波长；各邻层之间均嵌入有一个石墨烯单层G。整个复合结构可表示为AGBGAGBGBGBGAGBGA。本实用新型用于可调双通道光子滤波器。

Description

一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器。

背景技术

滤波器分为带通、带阻、低通和高通四种类型。但是在多信道通信中，需要对多个分离的单一频率进行滤波，这就要用到多通道滤波器。在光纤通信系统中，可以通过波分复用技术来提高信道的容量，该技术中的关键部件便是光波分复用器。传统的光波分复用器是通过光纤光栅的来实现对信道的滤波和分离。人造光子晶体的发展，为波分复用技术中的多通道滤波器提供了新的研究方向。

将两种折射率不同的电介质在空间中进行周期性排列，就可以形成一维、二维或三维光子晶体。光子的晶体具有光子能带结构，可以实现对光波的全透射和全反射。如果在光子晶体中插入缺陷，则在光子能带中就会出现单一的缺陷模。一般地，当入射光波长等于缺陷模波长时，便会形成共振输出，即透射率极大，而反射极小。因此该类结构可被用于单信道光子滤波器。

研究表明，非周期光子晶体也具有能带结构，只是非周期光子晶体的有序性没有周期性光子晶体的好。但重要的是，非周期光子晶体中天然地存在多个缺陷层，这使得非周期光子晶体中有多个共振的缺陷模。而准周期光子晶体的有序性位于周期性光子晶体和非周期光子晶体之间。在准光子晶体中，既可以得到多个较强的共振缺陷模，而模的数量又可以通过增加序列的序列号来扩展。因此，准周期光子晶体是一种可被用于多通道光子滤波器的理想结构。

然而光子晶体一旦形成，则缺陷模的位置就被固定下来，很难对缺陷模的中心频率进行调控。

石墨烯是一种超薄的二维材料，其表面电导率可以通过石墨烯的化学势灵活调控。当把石墨烯等效成一定厚度的电介质时，其等效折射率就是石墨烯化学势的函数。因此，可以通过石墨烯的化学势来灵活调控电介质的等效折射率。如果将石墨烯嵌入到光子晶体中，则石墨烯的存在会影响到整体结构的透射率。石墨烯的表面电导率是化学势函数，进而可以通过石墨烯的化学势来调控结构的透射谱，从实现调控透射模的中心频率的目的。

在数学上，Cantor序列是一种准周期序列，其对应的Cantor 光子晶体为准周期光子晶体。因此，在Cantor光子晶体中，存在一系列的透射模。这些透射模是由光波在缺陷层中满足不同的共振条件而形成的。随着Cantor序列序号的增加，缺陷模的数量呈几何级数增加，并且，这些缺陷模具有自相似特性，故也将这种现象叫光学分形效应，所对应的共振模叫光学分形态。可以将这些光学分形态应用于多通道光滤波。再将石墨烯插入到Cantor光子晶体中，形成复合结构，则可以通过石墨烯的化学势来灵活调控滤波通道的中心频率和透射率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，本实用新型所要解决的技术问题是Cantor光子晶体能够应用于可调双通道光子滤波器。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于 Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，包括若干第一电介质层和若干第二电介质层，记第一电介质层为A、第二电介质层为B，所述Cantor光子晶体的序列序号为N＝2，第一电介质层、第二电介质层的排列规则为：ABABBBABA；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质；第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自折射率对应的1/4 光学波长；各邻层之间均嵌入有一个石墨烯单层G。整个复合结构可表示为AGBGAGBGBGBGAGBGA。

进一步的，所述第一电介质层为二氧化硅；所述第二电介质层为硅。

将两种电介质薄片按照序号N＝2的Cantor序列依次排列，形成Cantor准光子晶体，再将石墨烯嵌入到相邻两薄片的分界面处，形成复合结构。此结构中存在双波长共振的光学分形态，对应着两个透射模。透射模的透射率和中心波长可以通过石墨烯的化学势来灵活调控，该效应可用于可调双通道光子滤波器。

附图说明

图1是Cantor光子晶体与石墨烯复合结构示意图(序号 N＝2)。

图2是Cantor光子晶体与石墨烯复合结构的透射谱。

图3的图(a)是图2中通道1的透射率随石墨烯的化学势变化关系；图3的图(b)是图2中通道1的归一化频率随石墨烯的化学势变化关系。

图4的(a)图是图2中通道2的透射率随石墨烯的化学势变化关系；图4的图(b)是图2中通道2的归一化频率随石墨烯的化学势变化关系。

图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；G、石墨烯单层。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

数学上，Cantor序列的迭代规则为：S₀＝A，S₁＝ABA，S₂＝ ABABBBABA,S₃＝S₃(3B)³S₃，……，S_N＝S_N-1(3B)^N-1S_N-1，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)序列的序号，S_N表示序列的第N 项。在对应的Cantor光子晶体中，字母A、B分别代表两种折射率不同的均匀电介质。如图1给出了序号N＝2的Cantor光子晶体光子与石墨烯的复合结构，其中A为二氧化硅，其折射率为 n_a＝3.53；B为硅，其折射率为n_b＝1.46。电介质A和B按照序号 N＝2的Cantor序列规则依次排列，再将石墨烯嵌入到相邻两层电介质薄片的分界面处。符号G表示石墨烯。这样，该复合结构可以表示成AGBGAGBGBGBGAGBGA。入射光为横磁波，从左边入射，入射角为θ。符号I₁为入射光线，I₂为反射光线，I₃为透射光线。A和B的厚度均为1/4光学波长，即A厚度为 d_a＝λ₀/4/n_a＝0.1098μm(μm表示微米)，其中λ₀＝1.55μm为中心波长，薄片B的厚度为d_b＝λ₀/4/n_b＝0.2654μm。石墨烯为超薄的二维材料，相对于电介质薄片A和B的厚度，石墨烯的厚度可以忽略不计。

当横磁波垂直入射时，即θ＝0°，图2给出的是序号N＝2对应的Cantor光子晶体与石墨烯复合结构的透射谱。纵坐标T表示透射率，横坐标(ω-ω₀)/ω_gap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω₀＝2πc/λ₀和ω_gap＝4ω₀arcsin│(n_a-n_b)/(n_a+n_b)|²/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin 为求反正弦函数。可以看到：在归一化频率为(-1,1)区间内，存在一个光子带隙；在带隙中间，出现两个共振峰，对应着两个滤波通道，用*标注。按从左到右的顺序，依次将这个两个通道命名为通道1和通道2。可以看到，随着石墨烯的化学势不同，这两个共振模的透射率不同，而且共振峰的中心频率也略微移动。因此，当以该复合结构作为双通道光子滤波器时，滤波通道的透射率和中心频率可以通过石墨烯的化学势来灵活调控。

将图2中通道1对应的透射率记为T₁，对应的透射模中心频率记为ω₁；将通道2对应的透射率记为T₂，对应的透射模中心频率记为ω₂。图3(a)给出的是通道1的透射率T₁随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ_c≤0.3eV时，T₁＝0.5；当μ_c≥0.35eV 时，T₁＝1。透射率T₁在化学势μ_c＝0.35eV处存在一个向上的跳变。图3(b)给出的是通道1的透射模中心频率ω₁随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ_c≤0.3eV时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而减小；当μ_c>0.3eV时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而增大。透射模中心频率在化学势μ_c＝0.3eV处最小。

图4(a)给出的是通道2的透射率T₂随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ_c≤0.45eV时，T₁＝0.5；当μ_c≥0.5eV时，T₁＝1。透射率T₁在化学势μ_c＝0.5eV处存在一个向上的跳变。图4(b) 给出的是通道2的透射模中心频率ω₂随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ_c≤0.5eV时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而减小；当μ_c>0.5eV时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而增大。透射模中心频率在化学势μ_c＝0.5eV处最小。

总之，序号N＝2的Cantor光子晶体和石墨烯的复合结构中存在两个可调的光学分形态，对应着两个透射模。这两个透射模可被用于双通道光子滤波器，滤波通道的透射率和中心频率可以同时石墨烯的化学来灵活调控。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，包括若干第一电介质层和若干第二电介质层，记第一电介质层为A、第二电介质层为B，所述Cantor光子晶体的序列序号为N＝2，第一电介质层、第二电介质层的排列规则为：ABABBBABA；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质；第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自折射率对应的1/4光学波长；各邻层之间均嵌入有一个石墨烯单层G；整个复合结构可表示为AGBGAGBGBGBGAGBGA。

2.根据权利要求1所述一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，所述第一电介质层为二氧化硅；所述第二电介质层为硅。

3.根据权利要求1或2所述一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，所述光子滤波器中存在两个透射模，分别对应着滤波器的两个滤波通道，通过石墨烯单层的化学势来调控滤波通道的中心频率和透射率。

4.根据权利要求1或2所述一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，所述光子滤波器中两滤波通道的中心频率和透射率可以通过石墨烯单层的化学势来调控。