CN107728342A - 一种中红外窄带可调谐滤波器 - Google Patents

一种中红外窄带可调谐滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中红外窄带可调谐滤波器，包括有基底，基底上设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层。本发明设计了一种新的滤波器结构，利用石墨烯的特性，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现了横电(TE)偏振光可调谐窄带反射，满足了反射峰位动态变化的需求。

Description

一种中红外窄带可调谐滤波器
技术领域
本发明涉及微纳光学器件领域，具体是一种中红外窄带可调谐滤波器。
背景技术
由于大气透射窗口和多数气体分子的具有指纹特征基频反射带均分布于中红外波段，使得中红外波段光谱及其相关设备与器件研究在空间光通信、大气环境监测和医疗诊断等多方面具有广阔的应用前景。滤波器的作用是从众多的波长中挑选出特定所需的波长，一般可用于选择波长、抑制光放大器的噪声和增光复用/解复用，非分光红外是滤波器在中红外波段另一典型应用，但是滤波器一般是固定波长，为了满足动态滤波需求，需发展可调谐滤波器。另一方面，石墨烯是一种单原子层厚度的准二维材料，具有优异的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，特别是其电导率可以由所加电压改变，从而实现光电器件工作状态调控，而且由于基于石墨烯光电器件电控方案具有易操作性，使得基于石墨烯的中红外滤波器具有极大的实用价值，但是现有报道的基于石墨烯中红外波段滤波器带宽都在10nm以上(Plasmonics(2014)9:1239-1243)，为提高滤波器分辨率，发展带宽更窄的可调滤波器就显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种中红外窄带可调谐滤波器，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种中红外窄带可调谐滤波器，包括有基底，基底上设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层，通过改变静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，从而实现横电(TE)偏振光可调谐窄带反射。
优选地，所述第一和第二电介质镀层的厚度大于光栅层厚度。
优选地，所述光栅层厚度为200～260nm。
优选地，所述光栅层宽度为800～1200nm。
优选地，所述第一电介质镀层和第二电介质镀层的厚度相等且为 2950～3050nm。
优选地，所述电介质镀层和光栅层的材料为五氧化二钽或三氧化二铝，基底材料用二氧化硅。
本发明的优点在于：
本发明设计了一种基于石墨烯新型滤波器结构，利用石墨烯的特性，通过调谐静态偏置电压实现石墨烯费米能变化，最终实现了横电(TE)偏振光窄带反射峰可调谐，满足了反射峰位动态变化的需求。
附图说明
图1为本发明中红外窄带可调谐滤波器的结构示意图，其在Y方向上是周期结构，电磁波沿着Z方向传播。
图2为实施例1使用本发明中红外窄带可调谐滤波器时的结构反射光谱图。
图3为实施例2使用本发明中红外窄带可调谐滤波器时的结构反射光谱图。
图4为实施例3使用本发明中红外窄带可调谐滤波器时的结构反射光谱图。
图5为实施例4使用本发明中红外窄带可调谐滤波器时的结构反射光谱图。
图6为实施例5使用本发明中红外窄带可调谐滤波器时的结构反射光谱图。
附图标记：
1，基底；2，第一电介质镀层；3，石墨烯；4，第二电介质镀层；5，光栅层。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
如图1所示，一种中红外窄带可调谐滤波器，包括有基底1，基底1上设有第一电介质镀层2，再在第一电介质镀层2上放置石墨烯3，在石墨烯3上再设第二电介质镀层4，在电介质层4上镀上电介质层然后刻蚀成光栅5。光栅层5 的作用是提供衍射波，如果提供的衍射波刚好与石墨烯3和电介质镀层3和4 构成的波导支持的模式相匹配，将引起导模共振效应，为确保导模共振效应产生，电介质镀层2和4折射率应大于基底折射率，由于导模共振效应贡献，可实现窄带反射峰，调节石墨烯费米能可以改变石墨烯折射率，从而改变导模共振峰位，实现滤波器峰位调节。
其中，石墨烯层上下两侧的第一和第二电介质镀层厚度相等，第一和第二电介质镀层厚度大于光栅层厚度。
图1中所示滤波器在Y方向上是周期结构，电磁波沿着Z方向传播。入射平面TE偏振电磁波(电矢量方向与X轴一致)沿上层向基底方向入射，由于顶层光栅的衍射效应，在电介质镀层内形成导模共振，电磁场能量集中在电介质镀层的中间位置，改变石墨烯的费米能，从而改变石墨烯的折射率，实现导模共振峰位的改变。
实施例1
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2000nm,w＝1000nm,t1＝t2＝3000nm，h＝230nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，电介质膜层和光栅层材料为五氧化二钽(折射率为2.0)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的反射结果如图2所示，反射带宽小于1.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的反射峰从3.95825μm调谐至3.95079μm。由此可见，该器件通过改变石墨烯费米能实现了调谐滤波器反射峰位。
实施例2
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2000nm,w＝1000nm,t1＝t2＝3000nm， h＝200nm或260nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，电介质膜层和光栅层材料为五氧化二钽(折射率为2.0)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的反射结果如图3所示，反射带宽依然小于1.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当h＝200nm时，对应的反射峰从3.9582μm调谐至3.9507μm，见图3(a)；当h＝260nm时，对应的反射峰从 3.9583μm调谐至3.9509μm，见图3(b)。
实施例3
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2000nm,w＝800nm或1200nm, t1＝t2＝3000nm，h＝230nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，电介质膜层和光栅层材料为五氧化二钽(折射率为2.0)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的反射结果如图4所示，反射带宽依然小于1.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当w＝800nm时，对应的反射峰从3.95826μm调谐至3.95078μm，见图4(a)；当w＝1200nm时，对应的反射峰从3.9583μm调谐至3.95082μm，见图4(b)。
实施例4
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2000nm,w＝1000nm,t1＝t2＝2950nm或3050nm，h＝230nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，电介质膜层和光栅层材料为五氧化二钽(折射率为2.0)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的反射结果如图5所示，反射带宽依然小于1.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，当t1＝t2＝2950nm时，对应的反射峰从3.9571μm调谐至3.9494μm，见图5(a)；当t1＝t2＝3050nm时，对应的反射峰从3.9594μm调谐至3.9521μm，见图5(b)。
实施例5
滤波器一个周期结构的参数分别为p＝2000nm,w＝1000nm,t1＝t2＝3000nm， h＝230nm，环境温度为300K，石墨烯弛豫时间为1ps，电介质膜层和光栅层材料为三氧化二铝(折射率为1.52)，基底为二氧化硅(折射率为1.44)。
采用严格耦合波分析方法，计算得到的反射结果如图6所示，反射带宽依然小于1.0nm，调谐石墨烯费米能从0.2eV至1.0eV，对应的反射峰从3.3671μm调谐至3.3600μm。由此可见，变换电介质膜层和光栅层材料依然可以实现可调谐反射。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种中红外窄带可调谐滤波器，其特征在于：包括有基底，基底上设有第一电介质镀层，在第一电介质镀层上放置有石墨烯，在石墨烯上再设有第二电介质镀层，在第二电介质镀层上设置第三电介质镀层，将第三电介质镀层刻蚀成光栅层。
2.根据权利要求1所述的一种中红外窄带可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅层厚度小于电介质镀层厚度。
3.根据权利要求1所述的一种中红外窄带可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅层厚度为200~260nm。
4.根据权利要求1所述的一种中红外窄带可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅层宽度为800~1200nm。
5.根据权利要求1所述的一种中红外窄带可调谐滤波器，其特征在于：所述第一电介质镀层和第二电介质镀层的厚度相等且为2950-3050nm。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带滤波器，其特征在于：所述基底材料折射率小于电介质镀层材料折射率。
7.根据权利要求1所述的一种可调谐中红外窄带滤波器，其特征在于：所述基底材料为二氧化硅，电介质镀层和光栅层材料为五氧化二钽或三氧化二铝。
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