一种基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，涉及一种基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅。

背景技术

最简单的光滤波器和波长选择器就是法布里-珀罗腔，满足驻波条件的波会共振输出，但是这种结构所透过波长的单色性不够好。为增强波长选择性，即单色性，可用两个布拉格光栅代替法布里-珀罗腔中的两个反射镜，形成分布反馈布拉格光栅。布拉格光栅在空间呈周期性分布，这种周期性分布导致基于分布反馈布拉格光栅的波长选择器的透射模数量单一。为增加透射模的数量，可采用啁啾光栅代替布拉格光栅。

啁啾光栅的空间周期不再是常数，而是位置的函数，例如，两相邻栅格在空间周期上彼此相差一固定长度Δd。通常而言，啁啾光栅是指某光栅结构的周期是随空间变化的。另外，也可以让折射率随空间变化来形成啁啾光栅。这种变化的空间周期结构可以支持多波长共振输出，因此啁啾光栅被广泛应用于多波长光滤波器。另外，啁啾光栅还可应用于光纤激光器和传感器等。传统的啁啾光栅一般使电介质的折射率在空间交替变化而形成，因此一旦成型以后，其结构就基本固定了，很难通过外界物理量对光栅的性能参数进行调控。

石墨烯作为一种超薄的二维材料，具有良好的可调导电性。将单层石墨烯嵌入到电介质当中，进行非周期性排列。当相邻石墨烯的空间周期相差一常数时，即构成啁啾光栅。再将两个啁啾光栅排列在一段电介质两端，形成对称分布，就构成了基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅。

石墨烯的表面电导率可以通过化学势来灵活调控，其表面电导率也可以用等效折射率表示，因此石墨烯的等效折射率也可以通过石墨烯的化学势来控制。当把基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅应用于多波长选择器和光滤波器时，其透射波长的数目和波长，滤波器的截止波长和带宽都可以通过石墨烯的化学势来灵活调控。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅，本发明所要解决的技术问题是使多层结构具有光波选择和滤除功能。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅，其特征在于，包括一个缺陷层和两个对称分布在缺陷层两侧的啁啾光栅，所述啁啾光栅包括一个第一电介质层和若干个第二电介质层，各第二电介质层位于第一电介质层与缺陷层之间；由第一电介质层至缺陷层，各第二电介质层的厚度逐渐增大，且相邻第二电介质层的厚度差为一等量常数；相邻第二电介质层之间、第一电介质层和与之临近的第二电介质层之间、缺陷层和与之临近的第二电介质层之间均具有一石墨烯层。

进一步的，所述第一电介质层、第二电介质层和缺陷层均为二氧化硅。

将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料中，形成两个啁啾光栅结构。两个啁啾光栅位于一段电介质两端，满足对称分布，从而构成基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅。啁啾光栅是由单层石墨烯和二氧化硅电介质交替排列形成的非周期阵列；两相邻石墨烯的空间周期相差为常数。

此结构为一谐振腔，两个啁啾石墨烯光栅是谐振腔的反射面，夹在两个啁啾石墨烯光栅中间的电介质为谐振腔的腔体。当入射光波的波长刚好满足谐振条件时，会形成共振。在透射率曲线上出现共振峰，其峰值透射率接近1，而其它波长的光波被抑制。石墨烯光栅的周期数越多，共振模越多。该结构可应用于多波长选择器和光滤波器。选择器的透射波长和滤波器带宽可以通过啁啾光栅的周期数、腔体长度和石墨烯的化学势来调控。

附图说明

图1是基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅结构示意图。

图2是基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅中的透射率和反射率。

图3是不同化学势对应的透射率。

图4是N＝40对应的透射谱和反射谱(N为啁啾光栅空间周期数)。

图中，A、第一电介质层；B、第二电介质层；C、缺陷层；σ、石墨烯层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅如图1所示，将单层石墨烯嵌入到电介质材料B中，形成两个对称分布啁啾光栅M，两个啁啾光栅分别位于缺陷层C的两端，且关于C的中心点对称，电介质A位于入射侧和出射侧。啁啾光栅是一种非周期光栅，符号σ表示石墨烯，相邻石墨烯之间的空间周期相差一常数值。在啁啾光栅中，相邻两层石墨烯阵列之间的B型电介质从中间向两边依次编号为B

这里我们选用的电介质A、B和C的材料均为二氧化硅，其折射率为n＝1.449。电介质A的厚度为d

当啁啾光栅空间周期数为N＝20时，图2给出的是基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅的透射率和反射率。纵坐标T表示透射率，R表示反射率，横坐标λ表示波长，波长单位μm表示微米。这里取d

随着波长的增加，相邻共振峰之间的波长间隔增加。继续增大入射光的波长，透射率会迅速降低，透射率曲线会出现截止。因为石墨烯阵列中间有很多的谐振腔，所以存在共振模。石墨烯的电子在入射光波长为λ＝3μm会出现带内跃迁到带间跃迁的转变，因此透射率会出现阶跃。入射光波增大时，不满足共振条件，再加上石墨烯的表面电流作用，导致透射率急剧降低，以至截止，因此该分布反馈啁啾光栅可应用于低通多波长选择器或滤波器。

反射率曲线和透射率曲线形成一对互补曲线，即透射率大的地方，反射率小；透射率凸起的地方，反射率凹陷；当波长变化时，透射率降低时，反射率增加；当透射光被完全截止时，反射光强最大，若不考虑损耗，最大反射率为1。

保持啁啾光栅的周期数N＝20不变，改变石墨烯的化学势，其它参数不变，图3给出的是不同的石墨烯化学势对应的透射率曲线。可以看到：每根曲线在λ＝3μm附近都存在一个跳变，且随着化学势的增大，发生跳变时对应的入射波长会出现一定的蓝移。因此，当把该器件用于低通多波长选择器或滤波器时，滤波器的各透射模所对应的波长可以通过石墨烯的化学势来灵活调节。

当啁啾光栅的空间周期数增加到N＝40时，图4给出的是基于石墨烯阵列的啁啾光栅的透射谱和反射谱。相应地，相邻石墨烯之间的间距变成d

保持啁啾光栅空间周期数N＝20不变，改变啁啾光栅的空间周期，取d

总之，基于石墨烯阵列的分布反馈啁啾光栅可用于光低通多波长选择器和滤波器，波长选择器的透射波长和滤波器的透射率、截止波长、带宽等参数可以通过啁啾光栅的空间周期数、空间周期和石墨烯化学势来调控。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明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，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。