一种基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅的制作方法

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅。

背景技术：

当材料的折射率在空间中呈周期性变化时，就形成一个布拉格光栅。当两个相同的布拉格光栅分布在一层电介质的两端时，就形成了分布反馈布拉格光栅。分布反馈布拉格光栅可广泛应用于光滤波器、波长选择器和光纤激光器等。传统的分布反馈拉格光栅一旦成型以后，光滤波器的带宽和波长选择器的中心波长只能通过改变缺陷层的折射率来调控。在实际应用中，常采用电光效应或声光效应改变中心缺陷层中材料的折射率，来调控滤波器的中心波长。能否存在另一种可能，在保持缺陷层中材料的折射率不变的情况下，而通过调控其两端的布拉格光栅来改变滤波器的中心波长？

石墨烯作为一种二维材料，具有很好的导电性。如果将单层石墨烯嵌入到电介质当中，在空间中形成周期性排列，这就是布拉格光栅。再把两个布拉格光栅分别放置在电介质的两边，形成一个分布反馈布拉格光栅结构。石墨烯的表面电导率可以通过化学势来灵活调节。另外，还可以将石墨烯等效成具有一定厚度的电介质材料，其等效折射率可以通过石墨烯的化学势来调控。

利用基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅制作的光滤波器和波长选择器，其中心波长和带宽可以通过石墨烯的化学势来灵活调控。石墨烯的化学势与施加在石墨烯上的外界门电压有关，因此，也可以通过外界门电压来灵活调控光滤波器的带宽和中心波长。

技术实现要素：

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布拉格光栅，本发明所要解决的技术问题是如何使复合结构具有滤波功能。

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布拉格光栅，其特征在于，包括两个布拉格光栅、两个第一电介质层和一个第二电介质层组成的复合结构；由入射方向至出射方向，所述复合结构的排列规律为：第一电介质层、布拉格光栅、第二电介质层、布拉格光栅、第一电介质层；

所述布拉格光栅由相间设置的单层石墨烯和第三电介质层组成，所述布拉格光栅的入射面和出射面均为单层石墨烯。

将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料中，形成分布反馈布拉格光栅结构。分布布拉格光栅由两个布拉格光栅组成；布拉格光栅是由单层石墨烯在空间上进行周期性排列形成的；两个布拉格光栅之间的电介质层可以看成是这个周期结构的缺陷层。

当入射光波的波长刚好等于缺陷模时，会出现共振现象，则透射率曲线上会出现共振峰，而其它波长的透射率得到抑制。故该结构可应用于光滤波器和波长选择器。光滤波器的中心波长和带宽可以通过石墨烯的化学势来调控。另外，光滤波器和波长选择器的中心波长还可以通过缺陷层的厚度和折射率来调节。

进一步的，所述第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层均为二氧化硅透光材料。

附图说明

图1是分布反馈布拉格光栅的结构示意图。

图2(a)是基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅中的透射率；图2(b)是基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅中的反射率。

图3(a)是n＝40对应的透射率；图3(b)是n＝40对应的反射率。

图4(a)是d2＝8μm对应的透射率；图4(b)是d2＝8μm对应的反射率。

图中，σ、单层石墨烯；a、第一电介质层；b、第二电介质层；c、第三电介质层；m、布拉格光栅。

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。

将单层石墨烯σ嵌入到电介质材料中，形成分布反馈布拉格光栅结构，如图1所示。分布反馈布拉格光栅由两个布拉格光栅m组成，将单层石墨烯σ在空间上进行周期性排列，从而形成布拉格光栅m；第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层为相同材料，可以是二氧化硅；第一电介质层a的厚度为d1，第二电介质层b的厚度为d2，第三电介质层c的厚度为d3。假设n为布拉格光栅的空间周期数，则整个结构也可以表示成a(σc)ⁿσbσ(cσ)ⁿa。在如下环境和条件下进行测试：第一电介质层a、第二电介质层b和第三电介质层c的折射率均为n＝1.449；单层石墨烯σ的表面电导率和温度、化学势和输入光波长有关，取室温为t＝23℃。

当布拉格光栅空间周期数取为n＝20时，图2(a)给出的是基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅中的透射率。纵坐标t表示透射率，λ表示波长，波长单位μm为微米。这里取d1＝d2＝4μm，d3＝100nm。输入波为横电波，且为垂直入射。忽略掉非线性效应，可以看到，石墨烯化学势分别为μ＝0.3ev、0.4ev、0.5ev时，对应着不同的透射率曲线。随着波长的变化，在虚线框所在的位置，透射率曲线会出现共振峰，即透射峰。当石墨烯的化学势增加时，共振峰峰值会降低，且共振峰的位置会发生蓝移。石墨烯的化学势越大，透射率共振峰越窄，说明共振性越强；而共振峰两边波长的透射率会降低，说明对这些波长的透射的抑制增强。可以将两个布拉格光栅看成一个石墨烯阵列，则被夹在这两个光栅中间的电介质b就是这个周期石墨烯阵列中的缺陷层。虚线框中的透射峰值对应着缺陷模的透射率。

如果将基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅应用于光滤波器或波长选择器，则透射光的波长大小和波长选择性可以通过石墨烯化学势来调控。单层石墨烯的化学势可以通过加在石墨烯上的门电压来调节，因此，可以通过外界门电压来灵活调控透射光的的中心波长和带宽。

图2(b)给出的是单周期石墨烯阵列中的反射率。纵坐标r表示反射率。可以看到：在虚线框内，每个反射率曲线都有一个波谷，且谷值为零，即缺陷模对应的反射率为零，而在缺陷模两边的波长能够很好地被反射回去。

当把布拉格光栅的周期数由n＝20增大到n＝40时，图3(a)给出的是透射率曲线。此时的石墨烯化学势为μ＝0.4ev。可以看到：在星号☆位置，会出现一个透射峰，对应的是缺陷模的透射率，此透射率约为0.2；相对于n＝20的情况，共振峰的宽度会变窄，强度变低。这是因为随着石墨烯周期数的增加，共振性会增强，波长选择性也会增强。光在石墨烯中传输，石墨烯的数量越大，反射率会越大。

图3(b)给出的是反射率曲线。随着波长的变化，在星号☆位置，会出现一个反射率的下陷，下陷处的最小值就是缺陷模的反射率，而此时的反射率不为零。说明增大布拉格光栅的周期数，会降低透射率，同时又会增大反射率。随着布拉格光栅的周期数的增大，透射峰的宽度会变窄，说明波长选择性增强，则透射波的单色性就越好。

前面提到，通过调控石墨烯的化学势，可以改变缺陷模的波长，然而这种调控方式对波长调控能力有限，波长变化只在共振峰附近很小的范围内进行。当需要比较大地改变透射模的波长时，需要对改变缺陷层的厚度或折射率。

将中间缺陷层b的厚度变成d2＝8μm，图4(a)给出的是透射率曲线。保持布拉格光栅的周期数由n＝20不变，石墨烯化学势为μ＝0.4ev，电介质a的厚度为d1＝4μm。可以看到：在星号☆处，存在一个共振峰，共振峰的最大值即是缺陷模对应的透射率；相对于d2＝4μm的情况，缺陷模对应的波长从约20μm处向右移动到略大于30μm处。图4(b)给出的是反射率曲线，可以看到，在星号☆处，存在一个下陷，下陷处的最小值就是缺陷模对应的反射率，缺陷模的反射率约为0。另外，还可以通过改变缺陷层的折射率来大幅度调控透射模的波长。

总之，将基于石墨烯阵列的分布反馈布拉格光栅用于光滤波器或光频率选择器时，透射光的波长、波长选择性等可以通过石墨烯的化学势和中间缺陷层的厚度和折射率来调控。

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。