一种从可见到中红外可调谐的超窄带吸收器

本发明涉及纳米光子学、二维材料光吸收等领域，具体是一种基于分布式布拉格镜面微腔以及可静电调控的石墨烯的从可见到中红外可调谐的超窄带完美吸收器。

背景技术：

1、许多重要应用都非常需要超窄带吸收器，例如滤光片、高选择性热发射器、光学传感器和光电探测器。最近，基于光子结构获得光学特性的动态可调是一种在高集成度光电器件中实现主动控制的有前途的方法，已经成为一个研究热点。其中，可调谐的超窄带完美吸收器将在下一代有源光子器件中发挥重要作用。石墨烯因其非凡的电子特性和光学特性，如从紫外线到太赫兹的宽频带光响应以及达到几十个ghz的超快响应速度等，在光子和光电子应用中引起了广泛的兴趣。特别是，石墨烯的复数电导率可以通过静电栅压有效调控，具有作为可调谐光吸收器的活性介质的潜力。然而，目前提出的许多基于石墨烯和光子结构的动态可调的超窄带吸收器件，存在光功能和电功能不兼容、工作波长范围小以及由于光子结构自身的吸收而导致的光谱精度和调制深度受限等问题。因此，如何在实现完美吸收的同时兼顾超窄带可调谐等特性是新型吸收器需要解决的问题。

2、基于耦合模理论的光吸收调控给我们提供了新的思路。耦合模理论描述了两个或多个电磁波模式间耦合的一般规律。耦合可以发生在同一器件中不同的电磁波的模式之间，也可以发生在不同器件的电磁波模式之间。光吸收器本质上决定于自由空间的入射光与一个局域光子模式的耦合特性。通过调谐和匹配光子模式的辐射损耗速率与吸收损耗速率，能够使体系达到吸收率100％的临界耦合状态，该模式能够在亚波长尺度下有效调控光场。基于耦合模理论，许多新型功能性光子器件被提出，这些器件在全光集成芯片、光学传感、光学滤波器和选择性热发射器件等众多领域表现出极大的应用潜力。本发明通过设计分布式布拉格镜面微腔与石墨烯的复合结构，基于法布里-珀罗共振、局域场增强、临界耦合调控，把光场聚集到石墨烯处与石墨烯充分相互作用，大幅提高石墨烯的光吸收。吸收器的目标波长由谐振腔的腔长以及石墨烯的费米能级共同决定，该共振模式的辐射损耗速率主要由分布式布拉格反射层的构成组分、周期数以及石墨烯的费米能级共同决定，而吸收损耗速率主要由石墨烯的复数表面电导率，也就是由费米能级决定。石墨烯的费米能级可以通过对上、下电极施加电压来调控。当石墨烯的费米能量小于光子能量的一半时，入射光能够激发带间跃迁，费米能级的调控主要表现为石墨烯等效折射率虚部的调控，也就是石墨烯吸收率的调控；当石墨烯的费米能量大于光子能量的一半时，入射光无法激发带间跃迁，费米能级的调控主要表现为石墨烯等效折射率实部的调控，也就是透反射位相的调控，最终表现为吸收峰位的调控。通过这些调控，使得微腔的辐射损耗速率与石墨烯的吸收损耗速率在特定波长处互相匹配，从而实现同时具备完美吸收、高集成度、超窄带、波长可调谐的可见-中红外吸收器。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本文发明的目的在于实现同时具备完美吸收、高集成度、超窄带的从可见到中红外的光吸收器，具体采用折射率周期性交替变化的透明介质材料构成布拉格反射镜面微腔与石墨烯的复合结构来实现该器件。折射率周期性交替变化的透明介质材料构成布拉格反射镜面微腔形成了法布里-珀罗腔结构增强了腔内光场，将石墨烯至于微腔中间位置，使石墨烯能充分与光场相互作用。通过构建组分以及周期数合适的分布式布拉格反射层，并通过调控石墨烯双层的费米能级，使得分布式布拉格反射镜微腔的辐射损耗速率与石墨烯的吸收损耗速率在目标波长处达到匹配，使体系达到临界耦合，从而实现从可见到中红外可调谐的超窄带完美吸收。

2、所述的吸收器结构包括衬底1、在衬底1上有底部布拉格反射层2、第一可相互静电栅控的石墨烯层3-1、介电间隔层3-2、第二可相互静电栅控的石墨烯层3-3构成谐振腔3位于底部布拉格反射层2上、第一可相互静电栅控的石墨烯层3-1上有下电极4、第二可相互静电栅控的石墨烯层3-3上有上电极5及谐振腔3上有顶部布拉格反射层6。

3、所述的衬底1是表面有300nm厚的sio2膜的si衬底。

4、所述的底部分布式布拉格反射层2是折射率周期性交替变化的多层透明介质材料，其材质是工作在可见到中红外波段的透明光学介质；对于不同的目标波段，使用两种透明介质材料周期性交替堆叠构成布拉格反射层，一般包括折射率不同的两种介质材料，其中低折射率材料的折射率为n3，厚度为h3，高折射率材料的折射率为n4，厚度为h4，其厚度确定方法根据薄膜干涉效应，当目标波长与透明光学介质材料的厚度h3、h4满足下列公式时，分布式布拉格反射层能够对入射光全反射：

5、

6、

7、其中λ0为自由空间中的目标波长。

8、所述的谐振腔层3由3-1、3-2及3-3构成，对于不同的目标波段，使用不同的透明介质材料构成谐振腔，其厚度h1由法布里-珀罗腔腔长公式决定：

9、

10、所述的第一可互相静电栅控的石墨烯层3-1是通过机械剥离或者通过化学气相沉积方法(cvd)生长的单原子层石墨烯。石墨烯在空气中呈现p型掺杂特性，费米能级通常比狄拉克点低200-400mev。考虑到通过湿化学方法转移的化学气相沉积(cvd)方法生长石墨烯的质量下降，将迁移率通常为200-400cm2/(v s)，其位于谐振腔的中间位置，并与下电极接触，通过施加在上、下电极的电压实现互相静电栅控。

11、所述的介电间隔层3-2为sio2、al2o3或hfo2薄膜层，其厚度h2＝20nm。

12、所述的第二可互相静电栅控的石墨烯层3-3是通过机械剥离或者通过化学气相沉积方法(cvd)生长的单原子层石墨烯。石墨烯在空气中呈现p型掺杂特性，费米能级通常比狄拉克点低200-400mev。考虑到通过湿化学方法转移的化学气相沉积(cvd)方法生长石墨烯的质量下降，将迁移率通常为200-400cm2/(v s)，其位于谐振腔的中间位置，并与上电极接触，通过施加在上、下电极的电压实现互相静电栅控。

13、所述的下电极4是au电极。

14、所述的上电极5是au电极。

15、所述的顶部布拉格反射层6是折射率周期性交替变化的多层透明介质材料，其材质是工作在可见到中红外波段的透明光学介质；对于不同的目标波段，使用两种透明介质材料周期性交替堆叠构成分布式布拉格反射层，一般包括折射率不同的两种介质材料，其中低折射率材料的折射率为n3，厚度为h3，高折射率材料的折射率为n4，厚度为h4，其厚度确定方法根据薄膜干涉效应，当目标波长与透明光学介质材料的厚度h3、h4满足下列公式时，分布式布拉格反射层能够对入射光全反射：

16、

17、

18、其中λ0为自由空间中的波长。

19、本发明的优点：

20、1该结构中底部和顶部布拉格反射层构成了法布里-珀罗腔，可互相静电栅控的石墨烯双层及介电间隔处于谐振腔的正中间光场聚集处，通过设定法布里-珀罗腔的厚度控制目标吸收波长，通过构建组分以及周期数合适的分布式布拉格反射层控制微腔的辐射损耗速率，通过调控石墨烯双层的费米能级调控微腔的有效厚度以及吸收损耗速率，使得体系辐射损耗速率与吸收损耗速率在目标波长处相匹配达到临界耦合，实现100％吸收。

21、2通过改变构成底部和顶部布拉格反射层透明介质材料的组分及其周期数，将会显著降低共振模式的辐射损耗速率，即能获得极高的辐射损耗品质因子，同时通过调控石墨烯费米能级降低吸收损耗速率，使其与辐射损耗速率匹配，从而实现超窄带的100％吸收。

22、3通过施加在可互相静电栅控的石墨烯双层上的电压，能够实现石墨烯双层的费米能级的调控，通过选择静电强度较高的介电间隔层增大石墨烯费米面的调控范围。

23、4当石墨烯的费米能量大于光子能量的一半时，入射光无法激发带间跃迁，费米能级的调控主要表现为石墨烯等效折射率实部的调控，也就是透反射位相的调控，从而实现目标波段吸峰位波长的调控。