CN105572865A - 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器 - Google Patents

基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器 Download PDF

Info

Publication number
CN105572865A
CN105572865A CN201610049854.8A CN201610049854A CN105572865A CN 105572865 A CN105572865 A CN 105572865A CN 201610049854 A CN201610049854 A CN 201610049854A CN 105572865 A CN105572865 A CN 105572865A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanometers
layer
bragg grating
dielectric
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610049854.8A
Other languages
English (en)
Inventor
吴俊�
周常河
李民康
项长铖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN201610049854.8A priority Critical patent/CN105572865A/zh
Publication of CN105572865A publication Critical patent/CN105572865A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

一种基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，该吸收器包括自上而下的电介质光栅层,单层石墨烯和布拉格光栅层，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。本发明可以由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

Description

基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器
技术领域
本专利涉及基于石墨烯的超窄带光谱选择性吸收器，特别是一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器。
背景技术
近年来，由于具有唯一的电学、光学、机械和热特性，石墨烯已经被广泛地研究。作为一个几年前刚刚发现的超薄两维碳基材料，石墨烯已经被应用于许多领域，例如，光调制器、吸收器、成像器件、光电探测器和宽带的起偏器等等。由于石墨烯单层仅仅只有单个原子层厚，在这些应用中的主要挑战就是如何增强光与石墨烯的相互作用，因而如何实现石墨烯单层的完全光吸收就成为趋势。
在中远红外波段，石墨烯有两个重要的特征。一个就是其电导率可以通过化学掺杂或静电开关来实现从近红外到太赫兹波段的调谐；另一个就是具有强的等离子响应，这将导致强的光与石墨烯相互作用。在这些波段，可以通过等离子谐振来实现石墨烯中的理想光吸收。相对来说，在可见和近红外波段(λ<2μm)，非掺杂石墨烯不能激发等离子响应。在光垂直入射时，石墨烯单层只能吸收2.3％的光能量。在这些波段，石墨烯类似于有损电介质材料，具有常数吸收。因而新的方法应当被提出来增强这些波段的光吸收。Liu等人提出利用一维光子晶体来增强石墨烯中的光吸收，其可以获得偏振无关的增强吸收，但是增强因子很小【在先技术1：Liu,etal.,Appl.Phys.Lett.101(5),052104(2012)】。Cai等人提出融合石墨烯单层和金属纳米结构的概念，可以在石墨烯单层中获得37.5％的吸收【在先技术2：Cai,etal.,Appl.Phys.Lett.106(4),043105(2015)】。Grande等人设计了一个简单的一维电介质光栅基的吸收器，利用光栅的导模谐振效应可以获得60％的光吸收【在先技术3：Grande,etal.,Opt.Express22,31511–31519(2014)】。Piper等人利用光子晶体的导模谐振效应实现了临界耦合，从而在石墨烯单层中获得了完全的光吸收【在先技术4：Piper,etal.,ACSPhotonics1(4),347–353(2014)】。Hu等人探讨了基于多层光栅结构的石墨烯纳米条中的增强吸收现象，但是完全的光吸收仅仅在光非垂直入射时可以实现【在先技术5：Hu,etal.,Appl.Phys.Lett.105,221113(2014)】。
矩形光栅通常是利用微纳加工工艺，在衬底上加工出的具有矩形槽形的光栅。亚波长矩形光栅的衍射问题，不能由简单的标量光栅衍射来处理，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地求解。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术6：M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，可以解决这类亚波长光栅的衍射问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，当光垂直入射时，其在中心波长附近一个极窄波段范围内的入射光将被吸收，随着结构参数的变化，吸收光谱会发生频移，峰值吸收波长会随之发生频移，但是在各峰值波长处可始终保持近100％的吸收，并且吸收谱线的半高全宽一直小于4纳米。同时对于不同的入射波长，其吸收角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快速减小，具有很高的空间方向性，类似于天线的特性。因此，该超窄带光谱选择性吸收器具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于红外波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于该吸收器包括自上而下的电介质光栅层、单层石墨烯和布拉格光栅层，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。
最佳的吸收器的顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
特别是当吸收器的顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，底部布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米时：
(1)当光通信波段(1500-1600纳米)的光垂直入射时，其在中心波长1550纳米附近一个极窄波段范围内的入射光将被吸收，峰值吸收率接近100％，半高全宽小于4纳米，对于不同的入射波长，其吸收/辐射角度不同，并且随着角度的增加，角谱的宽度快速减小，具有很高的空间方向性，类似于天线的特性。
(2)具有使用灵活方便、峰值吸收率高，吸收的半高全宽很小和空间相关性较好等优点，是一种非常理想的光谱选择性吸收器件，利用光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，制作后的吸收器件性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明的用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构。
图中，1代表区域1(折射率为n1)，2代表电介质光栅层，3代表石墨烯单层，4代表布拉格光栅层，由N(N＝20)对低折射率电介质平板(折射率为nl)和高折射率层电介质平板(折射率为nh)组成，nl<nh。TE偏振光(电场方向沿着y轴)从区域1入射该器件。d为电介质光栅周期，w为电介质光栅脊宽，h为电介质光栅厚度，ha和hb分别为布拉格光栅的低折射率层和高折射率层的厚度。
图2是本发明要求范围内一个实施例的TE偏振光垂直入射时器件吸收率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的三个离散波长入射时的吸收率随入射角的变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明的用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的几何结构。图中，区域1是均匀的，为空气(折射率n1＝1)。TE偏振光垂直入射到该器件，TE偏振光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，即y轴。
由图可见，本发明用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其包括自上而下的电介质光栅层2、单层石墨烯3和布拉格光栅层4，其中顶部电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，中间石墨烯层仅为单层石墨烯，底部布拉格光栅层由N(N＝20)对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，其厚度分别为340～350纳米和165～175纳米。
在如图1所示的几何结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术6】计算了该超窄带TE偏振光谱选择性吸收器在光通信波段范围内的吸收效率。我们利用严格耦合波理论【在先技术6】和模拟退火法则【在先技术7：W.Goffeetal.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种超窄带TE偏振光谱选择性吸收器的结构参数。
下面给出本发明的一个具体实施例，此时顶部电介质光栅的材料为硅(Si)，其折射率为3.48，中间非掺杂石墨烯单层的折射率，在可见光和近红外区域可以表示成【Bruna,etal.,Appl.Phys.Lett.2009,94,031901】:
n＝3.0+iC1λ0/3(1)
其中C1≈5.446μm-1，λ0为入射光波长，石墨烯单层的厚度为hg＝0.34nm.
布拉格光栅由20对低折射率的熔石英(SiO2)和高折射率的二氧化钛(TiO2)平板组成，它们的折射率分别为1.45和2.17。顶部电介质光栅的周期d＝575nm，脊宽w＝549nm，厚度h＝220nm，布拉格光栅的SiO2和TiO2层的厚度分别为ha＝345nm和hb＝170nm。
表1给出了本发明一系列实施例，λmax表示各吸收光谱的峰值波长，Amax表示吸收光谱的峰值波长处的吸收效率，FWHM表示透射光谱的半峰全宽。
图2是本发明要求范围内一个实施例的TE偏振光垂直入射时器件的吸收率随波长变化的曲线，由图可见，在中心波长1550纳米附近一个极窄的波带范围内的光将被吸收，中心波长处的峰值吸收为99.28％，透射光谱的半峰全宽(FWHM)为3.7纳米。
图3是图2中实施例的三个离散波长入射时的吸收率随入射角的变化曲线，从图中可以看出，对于不同的入射波长，吸收/辐射角不同，图中入射波长分别为λ1＝1549.9nm，λ2＝1536.7nm和λ3＝1511.3nm，它们的峰值吸收/辐射角分别为0°，4°和8°，角宽度分别为2.7°，0.65°和0.45°，具有很好的空间方向性，类似于传统的天线特性。
在制作本发明用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器时，适当选择顶部电介质光栅的周期、脊宽和厚度以及布拉格光栅的高低折射率层的厚度和折射率就可以得到吸收光谱线宽窄和空间方向性好的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器。
本发明的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，具有使用灵活方便、吸收光谱线宽窄、高空间方向性好等优点，是一种非常理想的吸收器件，利用光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，制作的吸收器性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。
表1TE偏振光垂直入射时峰值波长处的吸收效率

Claims (2)

1.一种用于光通信波段的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于该吸收器包括自上而下的电介质光栅层(2)、单层石墨烯(3)和布拉格光栅层(4)，所述电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为574～576纳米、548～550纳米和219～221纳米，所述布拉格光栅层由至少20对的低折射率电介质平板和高折射率电介质平板组成，低折射率电介质平板的厚度为340～350纳米，高折射率电介质平板的厚度为165～175纳米。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯单层和布拉格光栅的超窄带TE偏振光谱选择性吸收器，其特征在于，所述的电介质光栅层的周期、脊宽和厚度分别为575纳米、549纳米和220纳米，所述布拉格光栅层为20对低折射率电介质平板和高折射率电介质平板，其厚度分别为345纳米和170纳米。
CN201610049854.8A 2016-01-25 2016-01-25 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器 Pending CN105572865A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610049854.8A CN105572865A (zh) 2016-01-25 2016-01-25 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610049854.8A CN105572865A (zh) 2016-01-25 2016-01-25 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105572865A true CN105572865A (zh) 2016-05-11

Family

ID=55883180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610049854.8A Pending CN105572865A (zh) 2016-01-25 2016-01-25 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105572865A (zh)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107479296A (zh) * 2017-08-14 2017-12-15 安徽大学 一种可调谐中红外窄带吸收体
CN107561028A (zh) * 2017-06-30 2018-01-09 国家纳米科学中心 用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件及制备方法
CN107589484A (zh) * 2017-08-17 2018-01-16 南京理工大学 一种可调谐太赫兹分束器
CN107728343A (zh) * 2017-10-30 2018-02-23 上海理工大学 基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置
CN108107609A (zh) * 2017-12-17 2018-06-01 安徽大学 一种基于石墨烯中红外可调谐窄带带通滤波器
CN108181672A (zh) * 2017-12-08 2018-06-19 南京邮电大学 一种混合等离激元波导布拉格光栅
CN109586042A (zh) * 2018-12-03 2019-04-05 中国科学技术大学 一种吸波器及其制备方法
CN109585576A (zh) * 2018-06-29 2019-04-05 厦门大学 一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法
CN109765701A (zh) * 2019-01-23 2019-05-17 上海理工大学 一种动态可调衰减器
CN110780369A (zh) * 2019-11-05 2020-02-11 常州工业职业技术学院 基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器
CN112484667A (zh) * 2020-11-05 2021-03-12 中国人民解放军国防科技大学 一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器
CN113791470A (zh) * 2021-09-24 2021-12-14 北京枭龙科技有限公司 共振光栅波导结构及近眼显示装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104777532A (zh) * 2015-04-03 2015-07-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104777532A (zh) * 2015-04-03 2015-07-15 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIN-HUA HU ET AL: "Enhanced absorption of graphene strips with a multilayer subwavelength grating structure", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 *
宁仁霞等: "1维石墨烯光子晶体的电磁吸收特性", 《激光技术》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107561028B (zh) * 2017-06-30 2020-09-01 国家纳米科学中心 用于增强红外光谱探测的金属-石墨烯等离激元器件及制备方法
CN107561028A (zh) * 2017-06-30 2018-01-09 国家纳米科学中心 用于增强红外光谱探测的金属‑石墨烯等离激元器件及制备方法
CN107479296A (zh) * 2017-08-14 2017-12-15 安徽大学 一种可调谐中红外窄带吸收体
CN107589484A (zh) * 2017-08-17 2018-01-16 南京理工大学 一种可调谐太赫兹分束器
CN107728343A (zh) * 2017-10-30 2018-02-23 上海理工大学 基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置
CN108181672A (zh) * 2017-12-08 2018-06-19 南京邮电大学 一种混合等离激元波导布拉格光栅
CN108181672B (zh) * 2017-12-08 2021-03-23 南京邮电大学 一种混合等离激元波导布拉格光栅
CN108107609A (zh) * 2017-12-17 2018-06-01 安徽大学 一种基于石墨烯中红外可调谐窄带带通滤波器
CN109585576A (zh) * 2018-06-29 2019-04-05 厦门大学 一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法
CN109586042A (zh) * 2018-12-03 2019-04-05 中国科学技术大学 一种吸波器及其制备方法
CN109765701A (zh) * 2019-01-23 2019-05-17 上海理工大学 一种动态可调衰减器
CN109765701B (zh) * 2019-01-23 2023-04-25 上海理工大学 一种动态可调衰减器
CN110780369A (zh) * 2019-11-05 2020-02-11 常州工业职业技术学院 基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器
CN112484667A (zh) * 2020-11-05 2021-03-12 中国人民解放军国防科技大学 一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器
CN112484667B (zh) * 2020-11-05 2021-11-26 中国人民解放军国防科技大学 一种基于二维材料光吸收结构阵列的光电角度传感器
CN113791470A (zh) * 2021-09-24 2021-12-14 北京枭龙科技有限公司 共振光栅波导结构及近眼显示装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105572865A (zh) 基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器
Chen et al. Multi-band multi-tunable perfect plasmon absorber based on L-shaped and double-elliptical graphene stacks
Ghobadi et al. Bismuth-based metamaterials: from narrowband reflective color filter to extremely broadband near perfect absorber
CN104777532B (zh) 基于级联光栅结构的超窄带te偏振光谱选择性吸收器
JP2010512544A (ja) 物質コンポジット中の光制御用の装置及び方法
Chen et al. Bandwidth-tunable absorption enhancement of visible and near-infrared light in monolayer graphene by localized plasmon resonances and their diffraction coupling
Chen et al. Broadband, wide-incident-angle, and polarization-insensitive high-efficiency absorption of monolayer graphene with nearly 100% modulation depth at communication wavelength
Lin et al. Graphene multilayer photonic metamaterials: fundamentals and applications
Zhou et al. Broadband long wavelength infrared metamaterial absorbers
CN104362184A (zh) 基于减反结构和导模谐振的薄膜非晶硅太阳能电池
Li et al. Polarization-sensitive multi-frequency switches and high-performance slow light based on quadruple plasmon-induced transparency in a patterned graphene-based terahertz metamaterial
Xing et al. Tunable graphene split-ring resonators
Micco et al. Light trapping efficiency of periodic and quasiperiodic back-reflectors for thin film solar cells: A comparative study
Fang et al. Optical capture capability enhancement by right-angled triangular visible absorber
Wu Enhancement of absorption in graphene strips with cascaded grating structures
Elrashidi et al. Broadband absorber using ultra-thin plasmonic metamaterials nanostructure in the visible and near-infrared regions
Mahdavikia et al. High-sensitivity and independently tunable perfect absorber using a nanohole and a cross-shaped graphene
Fang et al. Ultra-broadband THz absorber with doped silicon based on periodic T-shaped arrays
Wang et al. A TM polarization absorber based on a graphene–silver asymmetrical grating structure for near-infrared frequencies
Chen et al. Ultra-broadband dual-square ring metamaterial absorbers from visible to far-infrared region
El-Hageen et al. Multilayered gold, MgF2 and tungsten based ultra wide band infrared absorber for solar cell applications
Wen et al. Infrared passbands from fractal slit patterns on a metal plate
Tserkezis et al. Tailoring plasmons with metallic nanorod arrays
CN207440322U (zh) 一种800纳米波段宽带反射型衍射光栅
Wu et al. TE polarization broadband absorber based on stacked metal-dielectric grating structure

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160511

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication