一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器

技术领域

本发明涉及一种光电角度传感器，尤其涉及一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器。

背景技术

角度测量是几何计量科学中的重要组成部分，测量方法主要分为机械式测角、电磁式测角和光学测角。传统的角度传感器主要有光栅编码器、感应同步器、旋转变压器和霍尔元件等。随着激光光源、光电材料和器件的发展，光学测角技术的应用越来越广泛，比起机电式测角有着更高的灵敏度和精度，更容易实现细分和测量过程的自动化，并且还具备测量准确度高和非接触测量的优点。光学测角法主要有光学自准直法、光学内反射法、激光干涉法、环形激光法等。基于这些传统方法制造出的角度传感器虽然具有很高的测量灵敏度，但普遍具有加工精度达到极限、制造工艺难度大、外形尺寸较大等局限性。传统的角度传感器的制造工艺已经接近极限，需要新的角度传感器制造思路以提高角度传感器的灵敏度、精度。

随着现代光电探测技术的不断进步，小体积光电器件的需求不断扩大。相较于传统的光电器件，基于石墨烯等新型二维材料的光电器件具有体积小得多的巨大优势。同时石墨烯等新型二维材料具有超高的载流子迁移速率(石墨烯可达200000cm

临界耦合模式理论表明，在入射光单侧入射时，光吸收结构类似于一个谐振器，实现场的局部增强。当光吸收结构满足背面模式泄露率为零、正面模式泄露率与二维材料的吸收率相等的临界耦合条件时，可以实现光吸收增强，甚至是完美吸收。

虽然二维材料光吸收结构可以实现光吸收增强，但是目前研究人员的主要精力都集中在如何实现吸收增强，以及调控吸收带宽，如果能将二维材料光吸收结构应用于角度传感器领域，将实现光电角度传感器的微型化，提高传感器灵敏度、精度，但目前还没有公开文献涉及利用二维材料光吸收结构实现光电角度传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器，利用二维材料的优异特性，实现光电角度传感器的微型化，提高传感器灵敏度、精度。

本发明利用临界耦合模式理论实现二维材料的光吸收增强，当光吸收结构满足背面模式泄露率为零、正面模式泄露率与二维材料吸收率相等的临界耦合条件时，可以实现光吸收增强，甚至是完美吸收。通过金属薄膜基底来阻挡透射光以实现背面模式泄露率为零，正面模式泄露率主要由谐振器的品质因数决定，二维材料吸收率主要由二维材料的吸收系数和二维材料中的场强决定。通过将二维材料放置在场强低的位置来减小二维材料的吸收率，从而减小满足临界耦合条件时的正面模式泄漏率，提高谐振器的品质因数，从而设计成窄带宽的光吸收结构，提高角度传感器的灵敏度。此外，由于设计的光吸收结构整体折射率较低，通过色散曲线可知，光吸收结构对入射光角度敏感，在不同入射角下，对入射光的吸收率明显不同。通过设计吸收结构阵列，令每个光吸收结构的周期各不相同，使各个光吸收结构选择性地吸收不同入射角度的光，光吸收结构中的二维材料在吸收光后电学性能(如电导率等)发生改变，再结合利用金属电极将吸收的光信号转化成电信号，从而实现对入射光的高灵敏度角度传感。

本发明基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器在结构上由一个二维材料光吸收结构阵列构成，二维材料光吸收结构阵列是由N个二维材料光吸收结构通过阵列的排列方式组成，N为大于1的正整数，N的数量决定了光电角度传感器的探测角度范围，在测量灵敏度一定时，N越多，光电角度传感器的探测角度范围就越大。单个二维材料光吸收结构由光学透明介质光栅、两个金属电极、二维材料层、光学介质层、金属薄膜基底组成。在二维材料光吸收结构阵列中，N个二维材料光吸收结构的光学透明介质光栅的周期各不相同，即P

优选的，所述光电角度传感器的工作波段为300nm～30μm，入射光源为单色光光源。

优选的，相邻两个二维材料光吸收结构之间的横向距离和纵向距离均为G，一般G>30μm。

优选的，所述光学透明介质光栅可以是一维光栅或者二维光栅，由大量完全相同的光学透明介质条平行排列组成，光学透明介质光栅能够产生导模共振，提供高品质因数的共振模式。

优选的，所述光学透明介质光栅的周期P

优选的，所述光学透明介质条的材料为透明聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、环烯烃聚合物、四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、氟乙烯丙烯、二氧化硅等材料中的任意一种。光学透明介质条的长度L>30μm，厚度D1满足10nm≤D1≤10μm，在二维材料光吸收结构阵列中，N个二维材料光吸收结构的光学透明介质条的宽度分别为W

优选的，所述金属电极形状没有要求，材料为导电性能良好的金属，为金、银、铝、铜、铂、钯、铬、钛、镍中的任意一种或任意组合。两个金属电极与二维材料层接触并分别置于光学透明介质光栅的两端，金属电极的功能是在二维材料层上提供一个施加电压的位置，通过探测两金属电极之间的电流变化就可以知道二维材料层电导率的变化，从而判断出此时各个光吸收结构的吸收率变化情况，进而判断入射光的角度的变化。

优选的，所述二维材料层为可吸收光的薄层材料，可以为石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、六方氮化硼、或其他薄膜材料中的任意一种，二维材料层吸收入射光，吸收光后电学性质(如电导率等)发生明显改变。

优选的，所述光学介质层为介质材料，介质材料为二氧化硅、氧化铝、氧化镁、二氟化镁、二氧化钛、五氧化二铌、二氧化铪等介质材料中的任意一种。光学介质层的厚度D2满足10nm≤D2≤100μm。光学介质层作为电隔离层，将二维材料层和金属薄膜基底隔离开，防止电流损耗。调节光学介质层的厚度可以调控入射光在上下两界面的相位差，起到改变共振波长的作用。光学介质层的厚度比光学透明介质光栅厚10倍以上时，可以使二维材料层位于场强相对较弱的地方，以减小二维材料层的吸收率，从而减小正面模式泄漏率，提高谐振器的品质因数，使得二维材料光吸收结构带宽变窄，以提高光电角度传感器的灵敏度。

优选的，所述金属薄膜基底为对入射光全反射的金属材料，金属材料包括金、银、铝、铜、铂、钯、铬、钛、镍中的任意一种或任意组合。金属薄膜基底的厚度D3>20nm。金属薄膜基底相当于一个反射镜，阻止入射光的透射以实现背面模式泄露率为零，从而满足临界耦合条件，实现吸收增强、甚至是完美吸收。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明将二维材料光吸收结构设计成入射光单侧输入的谐振器，通过金属薄膜基底来阻挡透射光以实现背面模式泄露率为零，使二维材料光吸收结构满足临界耦合的条件，实现了二维材料的光吸收增强，使二维材料在工作波段处的光吸收率均达到80％以上，在垂直入射时实现了对光的完美吸收。

2.本发明通过巧妙设计二维材料光吸收结构的各个结构参数，将二维材料层远离强电场区，减小了二维材料的吸收率，从而减小了临界耦合条件下正面模式泄漏率，增大了二维材料光吸收结构的品质因数Q，使得仿真计算中的Q值达到1764，吸收峰带宽小于1nm，这种极窄的带宽大幅提高了角度传感器的灵敏度。

3.本发明中设计的二维材料光吸收结构对入射角度敏感，通过阵列的排列方法，使其组成的新型光电角度传感器的灵敏度在仿真计算中高于0.01°。

4.本发明光电角度传感器的尺寸仅有微米级别，实现了光电角度传感器的微型化，在微小光电器件、柔性光电器件领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维结构示意图；

图2为图1中单个二维材料光吸收结构的三维结构示意图；

图3为本发明实施例1单个二维材料光吸收结构在TE偏振光垂直入射下的吸收谱；

图4为本发明实施例1单个二维材料光吸收结构在TE偏振光垂直入射时的电场模式分布特征示意图；

图5为本发明实施例1单个二维材料光吸收结构在TE偏振光沿不同入射角入射时的结构总吸收图；

图6为本发明实施例1所述基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器中的各个二维材料光吸收结构在1500nm工作波段附近，对TE偏振光沿不同入射角入射时的吸收谱。

附图标号说明：

1单个二维材料光吸收结构、101光学透明介质光栅、1011光学透明介质条、102金属电极、103二维材料层、104光学介质层、105金属薄膜基底。

具体实施方式

下面将结合附图来进一步详细解释和说明本发明的内容。但是以下附图仅是本发明的理想化实施案例的示意图，其中为了清楚展示本发明器件的物理结构，作为示意图不应该被认为严格反映的几何尺寸的比例关系。当然，本发明所示的实施案例也不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。简言之，附图是具备示意性的，不应该被认为限制了本发明的范围。

图1为本发明实施例1总体三维结构示意图。本发明的实现基于二维材料光吸收结构阵列，二维材料光吸收结构阵列由N个二维材料光吸收结构1组成，N为大于1的正整数，图1所示实施例中N＝9。阵列中相邻二维材料光吸收结构1的间距为G。二维材料光吸收结构1包括光学透明介质光栅101、金属电极102、二维材料层103、光学介质层104、金属薄膜基底105。其中对于每个二维材料光吸收1结构而言，光学透明介质光栅101的周期各不相同，金属电极102位于光学透明介质光栅101的两侧、覆盖于二维材料层103上，二维材料层103平铺在光学介质层104上，金属薄膜基底105在最底端作为反射镜与光学介质层104直接物理接触。入射光为单色TE偏振光，从结构上方照射至光电角度传感器上，图1中E为入射光波的电场偏振方向，E始终平行于光学透明介质条1011的长度方向，H为入射光波的磁场偏振方向，k为入射光垂直入射时的波矢方向，k’为入射光斜入射时的波矢方向，k’在k与H构成的平面上，始终垂直于E，k’与k之间的夹角为入射角为θ。

图2为图1中的单个二维材料光吸收结构1的三维结构示意图。其中光学透明介质光栅101的周期为P

在实施例1中，所述基于二维材料光吸收结构阵列中多个二维材料光吸收结构1的数目N为9个，按3×3的方式排成阵列。相邻二维材料光吸收结构1之间的距离G为100μm；所述9个二维材料光吸收结构1上的光学透明介质光栅101的周期分别为P

图3为实施例1所述单个二维材料光吸收结构1在入射光以TE偏振垂直入射时的仿真计算吸收谱，图中横坐标为波长，纵坐标为吸收率。其中实线为单个二维材料光吸收结构1的总吸收谱，虚线为二维材料层103石墨烯的吸收谱；从图中可以看出此时二维材料光吸收结构1的总吸收率接近100％，二维材料层103石墨烯的吸收率接近90％，而悬空的单层石墨烯对于光的吸收率仅有2.3％(参见Nair,R.R.et al,“Fine Structure ConstantDefines Visual Transparency of Graphene”,Science,320,1308(2008))(Nair,R.R.等人，科学，2008年第320卷1308页，论文“石墨烯的视觉透明度由精细结构常数决定”)，因此二维材料光吸收结构1大幅增强了二维材料石墨烯的光吸收率。同时通过仿真计算得出图中二维材料光吸收结构1总吸收的半高全宽仅有0.85nm，这种极窄的带宽可以大幅提高角度传感器的灵敏度。

图4为实施例1中单个二维材料光吸收结构1在TE偏振光垂直入射时仿真计算的电场模式分布特征示意图，图中为单个二维材料光吸收结构1的基本结构单位，左右两侧设置周期性边界条件，这种方法既保证了仿真计算的准确性，也大幅减少了计算量。从图4可以看出，光学透明介质光栅101和金属薄膜基底105之间激发出很强的局域电场，电场模式分布呈椭圆形，强电场区位于椭圆的中心，二维材料层103远离强电场区，减小了二维材料的吸收率，从而减小了光吸收结构正面模式泄漏率，这种结构设计增大了二维材料光吸收结构的品质因数Q，是该结构具有极窄带宽的主要原因。

图5为实施例1中单个二维材料光吸收结构1在TE偏振光沿不同入射角入射时的结构总吸收图，图中横坐标为波长，纵坐标为吸收率，图例中的θ为入射角，按0.05°的步长从0°至0.4°。图5中中间最高的吸收峰为TE偏振光垂直入射时的吸收峰，可以看出当有入射光非垂直入射时，原本垂直入射时的吸收峰退简并，分成两个相对较矮的吸收峰，随着入射角度的增加，这两个吸收峰逐渐分别向两端等距离移动。根据这个现象，在单色光入射时，可以通过特殊设计结构的参数，例如改变光学透明介质光栅101的周期，使阵列中各个二维材料光吸收结构1在工作波段处选择性地吸收不同入射角度的光，从而导致吸收结构中石墨烯的电学性能(如电导率等)发生改变，再结合利用金属电极将吸收的光信号转化成电信号，从而实现本发明对入射光的高灵敏度角度传感。

图6为实施例1所述基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器中的各个周期不同的二维材料光吸收结构1在1500nm工作波段附近，对TE偏振光沿不同入射角入射时的吸收谱，图中横坐标为波长，纵坐标为吸收率，图例中P

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。