一种基于石墨烯阵列的啁啾光栅

本发明属于光学技术领域，涉及一种基于石墨烯阵列的啁啾光栅。

背景技术：

当光栅在空间中呈周期性变化时，则被叫作布拉格光栅。当光栅的空间周期不再是常数，而是位置的函数时，例如，两相邻栅格在空间周期上彼此相差一固定的长度，则被叫作啁啾光栅。啁啾最早是指鸟的叫声，既鸟鸣音调的高低变化；而在物理上，啁啾是指物理量随时间或空间的变化。这里的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。啁啾光栅可被广泛应用于光滤波器、光纤激光器和传感器等。传统的啁啾光栅一旦成型以后，其结构参数就基本固定了，因此，很难通过外界参数对光栅性能参数进行调控。

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啁啾光栅，本发明所要解决的技术问题是如何使多层结构具有光低通滤波功能及截止波长和带宽具有灵活可调性。

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啁啾光栅，其特征在于，包括两个电介质层一，两个电介质层一之间夹有一非周期光栅，所述非周期光栅包括若干电介质层二，相邻电介质层二之间、电介质层一与电介质层二之间均夹有一单层石墨烯；

由入射方向至出射方向，各电介质层二的厚度逐渐减小，相邻电介质层二之间的厚度差为固定常数。

进一步的，所述电介质层一和电介质层二为二氧化硅。

石墨烯作为一种超薄的二维材料，具有很好的导电性。可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。石墨烯的表面电导率可以通过化学势来灵活调节，则其等效折射率也可以通过石墨烯的化学势来调控。

当把基于石墨烯阵列的啁啾光栅应用于光低通滤波器时，其截止波长和带宽都可以通过石墨烯的化学势来调控。石墨烯的化学势与石墨烯的杂质掺杂浓度和施加在石墨烯上的外界门电压有关，因此，可以通过外界门电压来灵活调控光低通滤波器的截止波长和带宽。

将单层石墨烯嵌入到二氧化硅基质材料中，形成啁啾光栅结构。啁啾光栅由非周期石墨烯阵列和二氧化硅电介质组成；两相邻石墨烯的空间周期相差为常数。

石墨烯阵列形成许多谐振腔，当入射光波的波长刚好满足谐振条件时，会形成共振，则透射率曲线上出现共振峰，而长波长被抑制，形成截止波长。故该结构可应用于光低通滤波器。光低通滤波器的透射率、截止波长和带宽可以通过啁啾光栅的周期数、空间周期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啁啾光栅的结构示意图。

图2是基于石墨烯阵列的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是空间周期数为40的啁啾光栅对应的透射率。

图5是大空间周期的啁啾光栅中的透射率。

图中，δ、单层石墨烯；a、电介质层一；b、电介质层二。

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。

如图1所示，啁啾光栅是一种非周期光栅，符号δ表示石墨烯，相邻石墨烯之间的周期相差一常数值。

有两种类型的电介质，分别为电介质层一a和电介质层二b，其中电介质层一a位于入射侧和出射侧，电介质层二b位于啁啾光栅的石墨烯阵列之间，每一层电介质层二b的编号从左到右依次为b1,b2,…,bn。电介质层一a和电介质层二b可以为同种材料，也可以为不同种材料。电介质层一a的厚度为da，第i层电介质层二b(即bi)的厚度为di，n为啁啾光栅的空间周期，即电介质层二b的个数，且两相邻空间周期之差为一常数di-di-1＝δd。整个结构也可以表示成aσb1σb2…σbiσbi+1…σbnσa。这里我们选用的电介质a和b的材料都为二氧化硅，其折射率为n＝1.449。石墨烯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表示入射波的波长，波长单位μm表示微米。这里取da＝2μm，d1＝300nm，d2＝290nm，…，dn＝100nm(nm表示纳米)，即相邻两层b型电介质的厚度差为δd＝10nm。设输入波为横电波，垂直入射，且忽略掉非线性效应。取石墨烯化学势为μ＝0.2ev(ev表示电子伏)，实线表示的透射率t，虚线表示的是反射率r。可以看到，随着波长的变化，透射率曲线上出现了很多共振峰。当λ＝3μm时，透射率曲线上出现一个向上的跳变，透射率从0.69跳变到0.87左右。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现象。因为石墨烯阵列中间有很多的谐振腔，所以存在共振模。石墨烯中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，因此透射率会发生阶跃现象。当入射光的波长增大，且无法满足共振条件时，再加上石墨烯的表面电流作用，导致透射率急剧降低，以至发生截止，因此该啁啾光栅可应用于光低通滤波器。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，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附件都存在一个跳变，且随着化学势的增大，发生跳变时对应的波长会蓝移(向短波长移动)。当把该器件光用于低通滤波器时，滤波器的截止波长随着石墨烯的化学势增加而降低，即带宽变窄。

当啁啾光栅的空间周期数增加到n＝40时，图4给出的是此时的透射率。这里取d1＝500nm，d2＝490nm，…，dn＝100nm，相邻两层b型电介质的厚度差仍为δd＝10nm，其它参数保持不变。可以看到：随着波长的增加，共振峰的透射率逐渐下降比较明显；化学势越大，共振峰的透射率越小；化学势越大，低通滤波器的截止波长会降低，即带宽变窄。相对于n＝20的情况，n＝40对应的截止波长下降的速度更快，透射率曲线变得更陡峭。这是因为，啁啾光栅的周期数的增加，一方面使得共振性增强，另一方面，使得石墨烯的损耗也增加；其次，随着石墨烯的化学势的增加，损耗也会增加。

保持啁啾光栅的空间周期数n＝20不变，改变啁啾光栅的空间周期，图5给出的是该啁啾光栅的透射率。这里取d1＝500nm，d2＝480nm，…，dn＝100nm，相邻两层b型电介质的厚度差变为δd＝20nm，其它参数保持不变。相对于较小的空间周期且δd＝10nm的情况，共振峰的数量增加了，即满足共振条件的波长数目增加了；低通滤波器的带宽也增加了，并且带宽可以通过石墨烯的化学势来调控。

总之，基于石墨烯阵列的啁啾光栅可用于光低通滤波器，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。