本发明涉及一种滤波器件，尤其涉及一种基于石墨烯的光滤波器件。
背景技术：
石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，它有着超宽带的光学响应谱、极强的非线性光学特性以及与硅基半导体工艺的兼容性，使其在新型光学和光电器件领域具有得天独厚的优势。在一定条件下，石墨烯表面传导电子与光子相互作用形成耦合电磁模（即，表面等离激元）。耦合电磁模局域性很强，能够突破衍射极限，可作光耦合器件中的信息载体。耦合电磁模最大的优势在于其传播常数能通过外部电场（或磁场）或化学掺杂的方式进行调节。
传统的光滤波器件存在损耗高、品质因数小、尺寸较大、不可调谐等不足之处。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种损耗低、品质因数大并且能够主动控制光信号频率的基于石墨烯的光滤波器件。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于石墨烯的光滤波器件，包括光耦合结构，所述光耦合结构包括电解质层、金属电极、石墨烯条带阵列、二氧化硅介质层、金属光栅和衬底，所述电解质层与金属电极之间设置有顶栅电压的调节装置；所述二氧化硅介质层位于石墨烯条带阵列和金属光栅之间，所述石墨烯条带阵列、二氧化硅介质层、金属光栅形成Fabry-Perot微腔阵列，位于衬底上，所述电解质层和金属电极分别位于Fabry-Perot微腔的上方的同一平面上，所述金属光栅位于衬底上，所述电解质层和金属电极与石墨烯条带阵列相对设置。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述金属光栅为金光栅或者银光栅。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述石墨烯条带阵列中的石墨烯条带与金属光栅间隔设置。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述石墨烯条带阵列中石墨烯条带的宽为200-900纳米；所述金属光栅中相邻两条金属的缝宽为20-90纳米，所述金属光栅中金属的厚度为40-100纳米。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述石墨烯条带阵列中石墨烯条带的宽为720纳米；所述金属光栅中相邻两条金属的缝宽为40纳米，所述金属光栅中金属的厚度为80纳米。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述石墨烯条带阵列的周期为2-9微米；金属光栅的周期为2-9微米。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述石墨烯条带阵列的周期和金属光栅的周期均为8微米。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述二氧化硅介质层的厚度为10-90纳米；所述衬底为碳化硅层，所述碳化硅层的厚度为200-900纳米。
上述的基于石墨烯的光滤波器件，优选的，所述二氧化硅介质层的厚度为20纳米；所述衬底为碳化硅层，碳化硅层的厚度为500纳米。
本发明的基于石墨烯的光滤波器件在使用时，一束TM极化的电磁波垂直照射电解质层，在Fabry-Perot微腔（由石墨烯条带、二氧化硅介质层、金属构成）内形成一驻波。在特定频率下，Fabry-Perot微腔处于响应状态，能捕获较多的能量。当金属光栅的狭缝位于驻波的反节点（磁场极大值）处时，Fabry-Perot微腔中的能量能通过狭缝透射过去。若入射光为非响应频率，则Fabry-Perot微腔处于非响应状态，透过狭缝的能量将极少，由此实现了滤波的目的。石墨烯条带阵列上方的电解质层与金属电极构成顶栅极结构。改变顶栅电压可调节石墨烯费米能级，石墨烯费米能级的变化影响着Fabry-Perot微腔内耦合电磁模的传播常数（有效折射率），Fabry-Perot微腔的响应频率因此而改变，因此光过滤频率能实现主动调控。
与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明基于目前极为成熟的微纳刻蚀加工技术以及多层膜技术，工艺流程不繁杂，操作简单。与传统的同频段滤波器件相比，石墨烯的引入大大缩小了耦合器件的尺寸。（2）本发明通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光过滤频率，实现了对光的主动控制，而且所需的功耗较小，品质因数大，响应速度快，具有很宽的工作频。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于石墨烯的光滤波器件的结构示意图。
图2为实施例1中使用本发明基于石墨烯的光滤波器件的透射谱。
图3为实施例2中在不同费米能级下使用本发明基于石墨烯的光滤波器件的透射谱。
图例说明
1、电解质层；2、金属电极；3、顶栅电压的调节装置；4、石墨烯条带阵列；5、二氧化硅介质层；6、金属光栅；7、衬底。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例
如图1所示的一种基于石墨烯的光滤波器件，包括光耦合结构，光耦合结构包括电解质层1、金属电极2、石墨烯条带阵列4、二氧化硅介质层5、金属光栅6和衬底7，电解质层1和金属电极2之间设置有顶栅电压的调节装置3；二氧化硅介质层5位于石墨烯条带阵列4和金属光栅6之间，石墨烯条带阵列4、二氧化硅介质层5、金属光栅构成Fabry-Perot微腔阵列，位于衬底7上，电解质层1和金属电极2分别位于Fabry-Perot微腔的上方的同一平面上，电解质层1和金属电极2与石墨烯条带阵列4相对设置。金属光栅6为金光栅或者银光栅。石墨烯条带阵列4中的石墨烯条带与金属光栅6间隔设置。
电解质层1、金属电极2厚度为几百纳米，石墨烯条带阵列4与金属光栅6周期为几微米，石墨烯条带阵列中相邻两石墨烯条带的缝宽分别为几百纳米，金属光栅中相邻两金属条之间的缝宽分别为几十纳米，金属光栅6和二氧化硅介质层5的厚度只需几十纳米，衬底7为碳化硅，其厚度为几百纳米。改变顶栅电压可控制石墨烯费米能级。
实施例1
一束波长位于红外波段的平行光垂直入射电解质层，入射光为TM模（磁场分量垂直于入射面）。电解质层与金属电极的厚度为300 nm，石墨烯条带阵列与金属光栅周期均为8000 nm即8微米，石墨烯条带阵列中石墨烯条带宽为720 nm，金属光栅中相邻两金属条的缝宽为40 nm，二氧化硅介质、金属光栅和衬底碳化硅的厚度分别为20、80和500 nm。石墨烯的载流子迁移率和费米速度分别为20000 cm2/（Vs）和106 m/s，本实施例中金属光栅为金光栅，在其他实施例中可以采用银光栅。调节顶栅电压Vg使石墨烯的费米能级为0.6 eV。在上述参数下能够得到如图2所示的透射谱。如图2所示，谱线中出现了两狭窄的透射峰，它们分别位于6.26 和13.26 THz，品质因数（Q）分别达到20和51，表明滤波效果良好。左右子图分别对应两透射峰的磁场分布图，磁场分布图能说明透射峰的形成。石墨烯条带、二氧化硅与金属构成一Fabry-Perot微腔。在光照射下，Fabry-Perot微腔内形成一驻波。在频率为6.26 和13.26 THz时，F-P微腔处于响应状态，它们分别对应微腔的一阶与三阶响应模。处于响应状态的微腔能捕获较多的光能。金属狭缝正处于驻波的反节点上，微腔中的能量能通过狭缝透射过去。
本实施例基于目前极为成熟的微纳刻蚀加工技术以及多层膜技术，工艺流程不繁杂，操作简单。与传统的同频段滤波器件相比，石墨烯的引入大大缩小了耦合器件的尺寸。本实施例通过栅极电压调节石墨烯的费米能级来调控光过滤频率，实现了对光的主动控制，而且所需的功耗较小，品质因数大，响应速度快，具有很宽的工作频。
实施例2
石墨烯的费米能级能通过顶栅电压Vg进行调节。石墨烯的费米能级的变化导致Fabry-Perot微腔的耦合电磁模传播常数（有效折射率）发生改变，从改变了微腔的响应频率。图3为不同费米能级下的透射谱（其它参数与实施例1相同）。当石墨烯费米能级从0.4 eV增加到0.8eV过程中，左右两透射峰蓝移，蓝移的幅度分别为2.1和4.5THz，蓝移的速度分别为0.53和1.12THz/eV。两透射峰随着费米能级增加而升高，品质因数因此而提高。当费米能级达到0.8电子伏特时，左右两透射峰的品质因数分别达到28和89。