一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构
技术领域
本发明涉及微纳光子学领域，尤其涉及一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构。
背景技术
布拉格光栅是一种非常重要的光学器件，在光谱学分析和信息处理方面具有广泛的应用。硅基布拉格光栅更是由于阻尼系数小、辐射损耗低且集成化工艺成熟被寄希望于实现超高速数据传输通讯，广泛应用于光学滤波、光开关、波分复用以及传感等领域。但目前硅基布拉格光栅面临着诸多的问题，其中一个重要的问题就是如何实现硅基布拉格光栅的调控。光栅作为精密仪器，其光学特性与其材料、结构参数密切相关，但是传统硅基光栅一旦制作完成，其材料和结构参数将无法改变，导致这种固定性光栅只能对固定波长范围内的光进行作用，造成诸多的不便和浪费。
目前在微纳尺寸上调控固定结构光栅的方法主要有以下几种：第一种方法是利用某些材料的光敏特性，制作复合型光敏光栅，这种方法需要大功率的激光来激发，不易实现器件的微小化和集成化，并且产生的强光可能形成极强的散射光，完全湮没激发等离子体的入射光；第二种方法是通过改变外界的环境的温度来改变材料折射率，从而达到调控的目的。但这种方法不仅容易引起材料形变，而且温度的变化，材料折射率的改变是比较微小的，通常情况下，布拉格共振波长变化只有几十pm/℃，调节范围非常有限。第三种方法是在光栅引入液晶等流体，利用流体的折射率大、形状可变的特性，通过微流控技术调控光栅的光学特性。这种方法虽然通常调节范围较大，可达到几百纳米，但这种调控方法操作复杂，特定的调控波长需要调整特定折射率的流体，响应速度慢，并且向微纳器件中填充流体是一个复杂的工程。这三种方法虽然可以达到调控光栅特性的目的，但均存在着调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便，因此，找到一个简单方便、高速调控光栅的方法是非常必要的。
发明内容
本发明提供了一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，以解决现有光栅调控存在调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便这一问题。
发明目的：本发明针对传统布拉格光栅无法调谐或者调节范围小、响应速度慢等缺陷，设计了一种基于石墨烯布拉格光栅的混合等离子体波导，利用石墨烯响应速度快、调整石墨烯化学势、掺杂浓度可调控其光学性质的特点，通过调控加载在布拉格光栅两边石墨烯的电压，创造了一种在中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅，实现了光学滤波和光开关的功能。
为了实现上述目的，本发明采用的方案为一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，所述多功能布拉格光栅结构由硅基布拉格光栅和覆盖于硅基布拉格光栅表面的单层石墨烯组成。本实施例中，所述布拉格光栅两边的电极通过良导体引出。
进一步地，在一种实现方式中，所述布拉格光栅以长方体硅基为轴轴向对称，在所述长方体硅基两侧有硅材料的凸状体，所述硅材料的凸状体周期性的排列，形成凸凹状的布拉格光栅，在所述凸凹状的布拉格光栅表面覆盖有单层石墨烯。
进一步地，在一种实现方式中，根据以下公式，计算所述石墨烯的表面电导率σ：
其中，e表示电子电荷，ω表示角频率，
进一步地，在一种实现方式中，布拉格光栅利用光刻技术，在长方体硅两边进行刻蚀形成周期性的布拉格光栅，然后紧贴着刻蚀的光栅表面铺设一层石墨烯，为了实现对石墨烯布拉格光栅中传播的等离子体波进行选择性的反射或者透射，所述布拉格光栅满足公式：
d1Real(neff1)+d2Real(neff2)＝mλb/2
其中，d1代表凸状体的宽度，d2代表凸状体之间的宽度，Real(neff1)为凸状体的等效折射率，Real(neff2)为凸状体之间的等效折射率，m为常数，λb为布拉格波长。
进一步地，在一种实现方式中，所述布拉格光栅的周期性单元为凸凹状的对称结构，所述布拉格光栅的长方体硅基的高度W＝0.5um，所述布拉格光栅的长度随着布拉格光栅的周期延伸；所述长方体硅基两侧的凸状体的厚度ΔW＝2um，所述布拉格光栅两边凸状体的宽度d1＝1um，相邻凸状体之间的宽度d2＝1um。本实施例中，布拉格光栅沿着长方体硅基波导对称分布，上下布拉格光栅的错位距离ΔL＝0，布拉格光栅的周期数为10。
进一步地，在一种实现方式中，在石墨烯布拉格光栅上施加偏置电压，改变石墨烯的化学势，所述石墨烯布拉格光栅即表面覆盖有单层石墨烯的布拉格光栅；
当覆盖于所述布拉格光栅上表面和下表面石墨烯的化学势变化相同时，上下层布拉格光栅混合等离子体的有效折射率发生变化，且所述有效折射率的变化相同，所述布拉格光栅的共振波长发生变化；
石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev的过程中实现了布拉格光栅的共振波长从4650nm到4550nm的连续调制，并且所述布拉格光栅的透过率均小于3％，可用于进行大范围带阻滤波。
进一步地，在一种实现方式中，在所述石墨烯布拉格光栅中引入缺陷，将所述布拉格光栅中任意一个凸状体宽度改变至3um，所述石墨烯布拉格光栅在很宽的透射禁带谱上出现了尖锐的透射峰；
随着所述布拉格光栅两边石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev，所述布拉格光栅透射峰的共振波长从4350nm变化至4250nm，此时所述石墨烯布拉格光栅可以用作动态可调谐的带通滤波器。本实施例中，所述石墨烯布拉格光栅可以用作动态可调谐的带通滤波器，用于红外探测抑制背景噪声，能够克服单一范围透射窗口，有利于多组分测量应用场合的经济性。
进一步地，在一种实现方式中，在所述石墨烯布拉格光栅上施加偏置电压，当加载在上下层石墨烯上的偏置电压不同时，所述布拉格光栅的耦合系数发生变化；通过调节加载在所述布拉格光栅上表面和下表面石墨烯上电压的差异，在共振波长4600nm处，所述布拉格光栅的透过率由3％变为83％，消光比为14.4dB。具体的，由消光比达到了14.4dB可知，本实施例中所述的布拉格光栅结构在中红外波段具有良好的光开关效果。
由以上技术方案可知，本发明实施例提供一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，所述多功能布拉格光栅结构由硅基布拉格光栅和覆盖于硅基布拉格光栅表面的单层石墨烯组成。布拉格光栅本质上是波导实现了周期性折射率的调制，使得在其中传播的原本正交的模式因为光栅周期性的调制而发生相互影响，形成了特定的相位关系，出现干涉相消和干涉相长现象。本发明的石墨烯布拉格光栅由于周期性凸凹状结构分布造成了相应位置混合等离子体等效折射率周期性变化，形成了等效石墨烯布拉格光栅，从而实现对石墨烯布拉格光栅中传播的等离子体波进行选择性的反射或者透射。
现有技术中，光栅调控存在调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便这一问题。而采用前述一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，能够相对于现有技术产生以下有益效果：
1.本发明结构异常简单，硅基布拉格光栅上覆盖单层石墨烯，硅材料的使用便于实现与现有CMOS工艺兼容，并且硅材料折射率较大，光场限制能力强，有利于器件的集成化。
2.石墨烯材料的使用，使得布拉格光栅可以通过调控布拉格光栅两边的石墨烯加载电压，在中红外波段实现动态可调的光学滤波和光开关的功能，并且作为滤波器，其具有良好的滤波效果；作为光开关，其消光比达到了14.4dB。
3.由于石墨烯动态可调以及超高的载流子迁移速率，相对现有技术中的其他实现布拉格光栅调控的方法，具有简单方便，响应速度快，可调谐波长范围宽的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅的侧面等效示意图；
图3为本发明实施例中，在常温下，石墨烯散射率为0.0005ev时，使用本发明中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅无结构缺陷时的透射光谱图；
图4为本发明实施例中的多功能布拉格光栅在引入结构缺陷时，布拉格光栅的侧面等效示意图；
图5为本发明实施例中，在常温下，石墨烯散射率为0.0005ev时，使用本发明中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅有结构缺陷时的透射光谱图；
图6为本发明实施例中，在常温下，石墨烯散射率为0.0005ev时，使用本发明中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅时的透射光谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出的一种在中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅，具体是基于石墨烯布拉格光栅的混合等离子体波导。与传统布拉格光栅相比，本发明不仅具有很好的光学滤波和光开关的效果，而且只需要改变加载在石墨烯上的偏置电压即可控制光栅的光学特性，克服了传统布拉格光栅通过改变结构参数等控制光栅光学特性的诸多缺陷，操作简单方便，响应速度快，在中红外光谱分析、滤波器和调制器方面具有广泛的应用。
本发明实施例提供一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，所述多功能布拉格光栅结构由硅基布拉格光栅和覆盖于硅基布拉格光栅表面的单层石墨烯组成。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，所述布拉格光栅以长方体硅基为轴轴向对称，在所述长方体硅基两侧有硅材料的凸状体，所述硅材料的凸状体周期性的排列，形成凸凹状的布拉格光栅，在所述凸凹状的布拉格光栅表面覆盖有单层石墨烯。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，根据以下公式，计算所述石墨烯的表面电导率σ：
其中，e表示电子电荷，ω表示角频率，
本实施例中，通过上述公式可以看出化学势的变化会造成石墨烯电导率的变化，从而导致折射率的变化，为后续通过调整石墨烯化学势改变石墨烯电导率从而控制布拉格光栅的变化做基础。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，所述布拉格光栅满足公式：
d1Real(neff1)+d2Real(neff2)＝mλb/2
其中，d1代表凸状体的宽度，d2代表凸状体之间的宽度，Real(neff1)为凸状体的等效折射率，Real(neff2)为凸状体之间的等效折射率，m为常数，λb为布拉格波长。
本实施例中，上述公式表明布拉格光栅的等效折射率不同，从而布拉格光栅的布拉格波长不同，这为石墨烯不同的化学势下，可以动态调控提供依据。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，所述布拉格光栅的周期性单元为凸凹状的对称结构，优选的，所述布拉格光栅的长方体硅基的高度W＝0.5um，所述布拉格光栅的长度随着布拉格光栅的周期延伸；所述长方体硅基两侧的凸状体的厚度ΔW＝2um，所述布拉格光栅两边凸状体的宽度d1＝1um，相邻凸状体之间的宽度d2＝1um。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，在石墨烯布拉格光栅上施加偏置电压，改变石墨烯的化学势，所述石墨烯布拉格光栅即表面覆盖有单层石墨烯的布拉格光栅；
当覆盖于所述布拉格光栅上表面和下表面石墨烯的化学势变化相同时，上下层布拉格光栅混合等离子体的有效折射率发生变化，且所述有效折射率的变化相同，所述布拉格光栅的共振波长发生变化；
石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev的过程中实现了布拉格光栅的共振波长从4650nm到4550nm的连续调制，并且所述布拉格光栅的透过率均小于3％，可用于进行大范围带阻滤波。具体的，根据布拉格光栅的透过率图中的最低点即可确定小于3％的布拉格光栅的透过率。
本实施例中，由于石墨烯化学势的变化会造成石墨烯电导率的变化，从而导致布拉格光栅混合等离子体的有效折射率发生变化，根据以下公式：
d1Real(neff1)+d2Real(neff2)＝mλb/2
可以得知，凸状体的等效折射率Real(neff1)的变化和凸状体之间的等效折射率Real(neff2)的变化肯定会造成共振波长的变化。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，在所述石墨烯布拉格光栅中引入缺陷，将所述布拉格光栅中任意一个凸状体宽度改变至3um，所述石墨烯布拉格光栅在很宽的透射禁带谱上出现了尖锐的透射峰；本实施例中，很宽和尖锐是相对的概念，具体的，在约1000nm透射禁带谱的透射谱上出现了几十纳米的透射峰，即很宽的透射禁带谱上出现了尖锐的透射峰。
随着所述布拉格光栅两边石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev，所述布拉格光栅透射峰的共振波长从4350nm变化至4250nm，此时所述石墨烯布拉格光栅可以用作动态可调谐的带通滤波器。本实施例中，所述石墨烯布拉格光栅可以用作动态可调谐的带通滤波器，用于红外探测抑制背景噪声，能够克服单一范围透射窗口，有利于多组分测量应用场合的经济性。
本实施例所述的一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构中，在所述石墨烯布拉格光栅上施加偏置电压，当加载在上下层石墨烯上的偏置电压不同时，所述布拉格光栅的耦合系数发生变化；通过调节加载在所述布拉格光栅上表面和下表面石墨烯上电压的差异，在共振波长4600nm处，所述布拉格光栅的透过率由3％变为83％，消光比为14.4dB。具体的，由消光比达到了14.4dB可知，本实施例中所述的布拉格光栅结构在中红外波段具有良好的光开关效果。
如图1所示，展示了中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅的结构示意图。它由硅材料的布拉格光栅以及紧贴光栅表面的单层石墨烯组成，上表面的石墨烯和下表面的石墨烯分别施加电压v1和v2，当光通过石墨烯布拉格光栅时，将会产生等离子波沿着光栅传播。如图2所示，展示了该布拉格光栅结构的剖面图以及结构参数。具体的，在本实施例中，所述布拉格光栅的长方体硅基的高度W＝0.5um，所述长方体硅基两侧的凸状体的厚度ΔW＝2um，所述布拉格光栅两边凸状体的宽度d1与相邻凸状体之间的宽度d2相等，d1＝d2＝1um，上下布拉格光栅的错位距离ΔL＝0。
石墨烯的电导率是影响其性能的主要因数，也是获得动态可调布拉格光栅的关键。
对于二维的石墨烯而言，在没有静偏置磁场和空间色散的情况下，单层石墨烯的面电导率则用著名的Kubo公式表示：
其中e表示电子电荷,ω角频率,
为了研究提出的石墨烯布拉格光栅的光学特性，我们采用了时域有限差分法软件进行模拟，基本设置如下：x、z方向设置为完美吸收边界条件，y方向设置为反对称边界条件。模拟温度T＝300K，石墨烯散射率设置为0.0005ev。本实施例中，在该设置下能够使得仿真的时间大大缩小。
实施例1
(1)可调谐的带阻滤波器
布拉格光栅两边的加载电压分别在v1＝v2＝0.2ev,0.4ev,0.6ev以及0.8ev时，采用时域有限差分法，计算得到布拉格光栅透射光谱图如图3所示。可以看到，布拉格光栅的透过率均小于3％，并且3dB带宽均大于800nm，具有很好的带阻滤波效果。石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev过程中，对应的布拉格光栅共振波长从4650nm调谐至4550nm，在中红外波段实现了通过调节石墨烯的化学势动态调节布拉格光栅光学特性的目的，此结构的石墨烯布拉格光栅可以广泛应用于动态可调谐的带阻滤波器。
(2)可调谐的带通滤波器
当其它结构参数不变，石墨烯布拉格光栅中引入缺陷，即其中一个布拉格光栅的锯齿宽度d3＝3um时，如图4所示。在两侧石墨烯化学势相同的情况下，分别在v1＝v2＝0.2ev,0.5ev以及0.8ev时，采用时域有限差分法，计算得到的缺陷布拉格光栅透射光谱图如图5所示。可以看到，原本很宽的透射禁带谱上出现了尖锐的透射峰。随着布拉格光栅两边石墨烯化学势从0.2ev变化至0.8ev，布拉格光栅透射峰的共振波长从4350nm变化至4250nm，此时石墨烯布拉格光栅可以用作动态可调谐的带通滤波器。
实施例2
布拉格光栅结构参数不变，当布拉格光栅两边的石墨烯化学势不同时，即v1＝0.2ev,v2分别为0.2ev以及0.7ev时，采用时域有限差分法，计算得到的布拉格光栅透射光谱图如图6所示。通过对比，可以看到，当上下层石墨烯化学势相同，均为0.2ev时，布拉格光栅在共振波长4600nm处透过率仅为3％，获得了几乎完美的带阻滤波效果；当将加载在布拉格光栅的电压调整到v1＝0.2ev,v1＝0.7ev时，在同一共振波长处，布拉格光栅透过率却高达83％。说明通过调节石墨烯加载电压的差异，该布拉格光栅在同一共振波长处可以获得较大的透过率差值，消光比达到了14.4dB，可以作为很好的光开关器件。
之所以出现上述情况，是因为在光栅结构参数不变的情况下，当布拉格光栅两边的石墨烯化学势不同时，布拉格光栅两边的等效折射率将发生不同的变化，造成布拉格光栅发生错位，即ΔL≠0，从而导致其中传播的等离子体发生2πΔL/(d1+d2)的相位变化，光栅中等离子体的耦合系数发生变化，造成干涉相消减弱，通过布拉格光栅的光强增大。
由以上技术方案可知，本发明实施例提供一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，所述多功能布拉格光栅结构由硅基布拉格光栅和覆盖于硅基布拉格光栅表面的单层石墨烯组成。布拉格光栅本质上是波导实现了周期性折射率的调制，使得在其中传播的原本正交的模式因为光栅周期性的调制而发生相互影响，形成了特定的相位关系，出现干涉相消和干涉相长现象。本发明的石墨烯布拉格光栅由于周期性凸凹状结构分布造成了相应位置混合等离子体等效折射率周期性变化，形成了等效石墨烯布拉格光栅，从而实现对石墨烯布拉格光栅中传播的等离子体波进行选择性的反射或者透射。
现有技术中，光栅调控存在调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便这一问题。而采用前述一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，能够相对于现有技术产生以下有益效果：
1.本发明结构异常简单，硅基布拉格光栅上覆盖单层石墨烯，硅材料的使用便于实现与现有CMOS工艺兼容，并且硅材料折射率较大，光场限制能力强，有利于器件的集成化。
2.石墨烯材料的使用，使得布拉格光栅可以通过调控布拉格光栅两边的石墨烯加载电压，在中红外波段实现动态可调的光学滤波和光开关的功能，并且作为滤波器，其具有良好的滤波效果；作为光开关，其消光比达到了14.4dB。
3.由于石墨烯动态可调以及超高的载流子迁移速率，相对现有技术中的其他实现布拉格光栅调控的方法，具有简单方便，响应速度快，可调谐波长范围宽的特点。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。
