基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的制作方法

本发明属于带通滤波器领域，具体涉及一种基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器。

背景技术：

带通滤波器作为一个基础核心器件在光纤通信、光纤激光器等领域有非常广泛的应用。目前对光纤式带通滤波器进行波长调谐主要是通过改变光纤应力以及温度等方法改变其中心波长。但是这类机械或热调谐的方法它在调谐精度、调谐响应时间上都会受到机械步进距离以及温度响应时间的限制。由此可见，目前的带通滤波器在中心波长调谐时存在调谐精度较低、响应时间较长的问题；另外，目前带宽滤波器还存在带通滤波线宽较宽的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器，以解决目前带通滤波器存在的中心波长调谐精度较低、响应时间较长以及带通宽度较宽的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器，包括传导体、石墨烯和电极，所述传导体包括导芯以及包裹在所述导芯外的包层，所述包层中开设有位于所述导芯同一侧的相同的至少两个微谐振腔，在所述微谐振腔的腔口处铺设有所述石墨烯，所述电极向所述石墨烯施加电压，以对所述传导体上传输的信号通过所述至少两个微谐振腔后形成的干涉峰的中心波长进行调谐，从而实现所述信号在调谐后干涉峰波段内的滤波。

在一种可选的实现方式中，在所述包层中开设有底面与所述导芯平行的结构，在所述包层中开设有垂直于所述底面并位于所述导芯同一侧，与所述导芯相对侧距离相等的至少两个微谐振腔，所述石墨烯铺设在所述底面上。

在另一种可选的实现方式中，所述导芯位于所述至少两个微谐振腔底端的侧上方。

在另一种可选的实现方式中，所述导芯与各个微谐振腔相对侧之间的距离小于1微米且大于或者等于0。

在另一种可选的实现方式中，所述底面与所述导芯相对侧之间的距离在0.5至2.5微米之间。

在另一种可选的实现方式中，通过增加所述微谐振腔的数量，来实现所述信号在多个不同干涉峰波段的滤波。

在另一种可选的实现方式中，通过增大所述微谐振腔的半径r，来实现所述信号在多个不同干涉峰波段的滤波。

在另一种可选的实现方式中，用于形成所述干涉峰的相邻两个微谐振腔中心轴之间的距离l与所述微谐振腔的半径r有关。

在另一种可选的实现方式中，所述距离l为所述半径r的3倍。

在另一种可选的实现方式中，所述半径r在10至20微米之间。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在传导体的包层中开设位于导芯同一侧并相同的至少两个微谐振腔，在微谐振腔的腔口铺设石墨烯，并采用电极向石墨烯施加电压来改变传导体上传输信号通过至少两个微谐振腔后形成的干涉峰的中心波长，从而可以实现信号在调谐后干涉峰波段内的滤波，由于本发明是将电场作用于石墨烯，然后利用石墨烯的特性对微谐振腔之间的干涉效应进行调节，因此本发明带通滤波器的中心波长调谐精度较高、响应时间较短，并且带通宽度较窄；

2、本发明通过首先在包层中开设底面与导芯平行的结构，然后在包层中开设垂直于底面并位于导芯同一侧，与导芯相对侧距离相等的至少两个微谐振腔，可以使微谐振腔与导芯平行，且腔体与导芯垂直，由此可以进一步提高干涉峰中心波长调谐准确度，另外，本发明通过首先在包层中开设底面与导芯平行的结构，然后将石墨烯铺设在底面上，可以降低石墨烯铺设的工艺要求；

3、本发明通过使导芯位于微谐振腔底部的侧上方，可以保证导芯传递过来的信号准确地进行带通滤波，从而提高带通滤波的准确度，并且通过使导芯与各个微谐振腔相对侧之间的距离小于1微米且大于或者等于0，可以进一步保证将导芯传递过来的信号准确地进行带通滤波；

4、本发明通过将底面与导芯相对侧之间的距离设置为0.5至2.5微米之间，可以在降低插损的同时，保证导芯传递过来的信号准确进行带通滤波；

5、本发明通过增加微谐振腔的数量以及增加微谐振腔的半径，可以实现传导体上传输信号在多个不同干涉峰波段的滤波。

附图说明

图1是本发明基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的一个实施例俯视图；

图2是本发明包层中只开设有单个微谐振腔时，信号通过该微谐振腔后输出的透射信号谱；

图3是本发明包层中开设有两个微谐振腔时，信号通过该两个微谐振腔后输出的透射信号谱；

图4是本发明基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的另一个实施例侧视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的一个实施例结构示意图。该基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器可以包括传导体、石墨烯2和电极3，所述传导体包括导芯11以及包裹在所述导芯外的包层12，所述包层12中开设有位于所述导芯11同一侧的相同的至少两个微谐振腔4，在所述微谐振腔4的腔口处铺设有所述石墨烯2，所述电极3向所述石墨烯2施加电压，以对所述传导体上传输的信号通过所述至少两个微谐振腔4后形成的干涉峰的中心波长进行调谐，从而实现所述信号在调谐后干涉峰波段内的滤波。

本实施例中，当包层12中开设单个微谐振腔时，传导体上传输的信号通过该微谐振腔后输出的透射信号谱如图2所示，当包层12中开设有两个微谐振腔时，传导体上传输的信号通过该两个微谐振腔后输出的透射信号谱如图3所示。比较图2和图3，可以看出当传导体的包层12中开设有多个微谐振腔时，传导体上传输的信号通过多个微谐振腔后将形成极窄的干涉峰，从而实现信号在干涉峰波段内的滤波。在包层12中开设多个微谐振腔的基础上，申请人研究发现，当在微谐振腔4的腔口上铺设石墨烯，并对石墨烯施加电压，可以对干涉峰的中心波长进行调谐，由此可以实现传导体上传输信号在不同干涉峰波段的滤波。

另外，经申请人研究发现，随着所述微谐振腔4数量的增加，所述传导体上传输的信号通过所述至少两个微谐振腔4后形成的干涉峰的数量也增加，因此本发明通过设置两个以上的微谐振腔，可以实现多个不同干涉峰波段的滤波。本发明中随着微谐振腔的半径r的增加，所述传导体上传输的信号通过所述至少两个微谐振腔时形成的干涉峰的数量也会增加，因此本发明通过增大微谐振腔的半径r，可以实现多个不同干涉峰波段的滤波。经申请人研究发现，为了保证形成超窄干涉峰，用于形成干涉峰的相邻微谐振腔4中心轴之间的距离l与微谐振腔4的半径r有关，所述距离l等于所述半径的3倍。需要注意的是：上述传导体可以是光传导体(例如光纤、光缆等)，也可以是波传导体，为了便于对干涉峰中心波长进行调谐，在向石墨烯施加电压时，可以利用外加电场对石墨烯的费米能级进行调谐。

由上述实施例可见，本发明通过在传导体的包层中开设位于导芯同一侧并相同的至少两个微谐振腔，在微谐振腔的腔口铺设石墨烯，并采用电极向石墨烯施加电压来改变传导体上传输信号通过至少两个微谐振腔后形成的干涉峰的中心波长，从而可以实现信号在调谐后干涉峰波段内的滤波，由于本发明是将电场作用于石墨烯，然后利用石墨烯的特性对微谐振腔之间的干涉效应进行调节，因此本发明带通滤波器的中心波长调谐精度较高、响应时间较短，并且带通宽度较窄。

参见图4，为本发明基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的另一个实施例侧视图。图4与图1所示该基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的区别在于，在所述包层12中开设有底面13与所述导芯11平行的结构，在所述包层12中开设有垂直于所述底面13并位于所述导芯11同一侧，与所述导芯11相对侧距离相等的至少两个微谐振腔4，所述石墨烯2铺设在所述底面13上。本发明通过首先在包层中开设底面与导芯平行的结构，然后在包层中开设垂直于底面并位于导芯同一侧，与导芯相对侧距离相等的至少两个微谐振腔，可以使微谐振腔与导芯平行，且腔体与导芯垂直，由此可以进一步提高干涉峰中心波长调谐准确度，另外，本发明通过首先在包层中开设底面与导芯平行的结构，然后将石墨烯铺设在底面上，可以降低石墨烯铺设的工艺要求。

图4与图1所示该基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的区别还在于，所述导芯位于所述至少两个微谐振腔底端的侧上方，所述导芯与各个微谐振腔相对侧之间的距离w小于1微米且大于或者等于0。本发明通过使导芯位于微谐振腔底部的侧上方，可以保证导芯传递过来的信号准确地进行带通滤波，从而提高带通滤波的准确度，并且通过使导芯与各个微谐振腔相对侧之间的距离小于1微米且大于或者等于0，可以进一步保证将导芯传递过来的信号准确地进行带通滤波。

图4与图1所示该基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的区别还在于，所述底面13与所述导芯11相对侧之间的距离为0.5至2.5微米。经申请人研究发现，当底面13与导芯11相对侧之间的距离过小时将会存在插损较大的问题，距离过大又会存在干涉峰不明显的问题，因此本发明通过将底面与导芯相对侧之间的距离设置为0.5至2.5微米之间，可以在降低插损的同时，保证导芯传递过来的信号准确进行带通滤波。

下面以传导体为光纤为例，来说明本发明基于石墨烯的电控波长可调的超窄带通光滤波器的制成过程：

(1)预制d型光纤：利用研磨设备将单模光纤研磨为d型光纤。研磨后平面距离为距离光纤中心5-7微米(该类光纤的半径为4.5微米)，研磨长度以0.5-1厘米为宜。研磨后的损耗以1-3db为宜。

(2)预制超窄全光纤滤波器：利用飞秒加工或者类似刻蚀工艺，在d型上以图1加工微谐振腔，根据需要微谐振腔的直径可以在10-20微米变化。在需要多波长滤波器(即出现多个干涉峰)时，可以增大微谐振腔半径r，需要单个波长滤波器时可以减小微谐振腔半径r。然后根据选择谐振腔半径r，控制两个谐振腔的相对距离l，使之产生对称的类似电磁诱导透明效应。其中，l约等于3倍的r。

(3)预制石墨烯片；将商用铜基pmma(柔性聚甲基丙烯酸甲酯)-石墨烯利用化学置换的方法将铜基去除。

(4)预制石墨烯布拉格光栅；将去除铜基的pmma-石墨烯包裹到光纤平面上，用丙酮蒸汽除去pmma。

(5)将金属电极(如金、铜等)连接到石墨烯的两边，并外加电压，通过调制石墨烯的能级实现对中心波长的调谐。

由上述实施例可见，本发明通过在传导体的包层中开设位于导芯同一侧并相同的至少两个微谐振腔，在微谐振腔的腔口铺设石墨烯，并采用电极向石墨烯施加电压来改变传导体上传输信号通过至少两个微谐振腔后形成的干涉峰的中心波长，从而可以实现信号在调谐后干涉峰波段内的滤波，由于本发明是将电场作用于石墨烯，然后利用石墨烯的特性对微谐振腔之间的干涉效应进行调节，因此本发明带通滤波器的中心波长调谐精度较高、响应时间较短，并且带通宽度较窄。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。