[發明專利]基于單層石墨烯和布拉格光柵的光譜選擇性吸收器

在審

• 申請號: 201610049854.8
• 申請日: 2016-01-25
• 公開（公告）號: CN105572865A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 吳俊;周常河;李民康;項長鋮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純;張寧展

技術領域

本專利涉及基于石墨烯的超窄帶光譜選擇性吸收器，特別是一種用于光通信波段的基 于石墨烯單層和布拉格光柵的超窄帶TE偏振光譜選擇性吸收器。

背景技術

近年來，由于具有唯一的電學、光學、機械和熱特性，石墨烯已經被廣泛地研究。作 為一個幾年前剛剛發現的超薄兩維碳基材料，石墨烯已經被應用于許多領域，例如，光調 制器、吸收器、成像器件、光電探測器和寬帶的起偏器等等。由于石墨烯單層僅僅只有單 個原子層厚，在這些應用中的主要挑戰就是如何增強光與石墨烯的相互作用，因而如何實 現石墨烯單層的完全光吸收就成為趨勢。

在中遠紅外波段，石墨烯有兩個重要的特征。一個就是其電導率可以通過化學摻雜或 靜電開關來實現從近紅外到太赫茲波段的調諧；另一個就是具有強的等離子響應，這將導 致強的光與石墨烯相互作用。在這些波段，可以通過等離子諧振來實現石墨烯中的理想光 吸收。相對來說，在可見和近紅外波段(λ<2μm)，非摻雜石墨烯不能激發等離子響應。在 光垂直入射時，石墨烯單層只能吸收2.3％的光能量。在這些波段，石墨烯類似于有損電介 質材料，具有常數吸收。因而新的方法應當被提出來增強這些波段的光吸收。Liu等人提出 利用一維光子晶體來增強石墨烯中的光吸收，其可以獲得偏振無關的增強吸收，但是增強 因子很小【在先技術1：Liu,etal.,Appl.Phys.Lett.101(5),052104(2012)】。Cai等人提出融 合石墨烯單層和金屬納米結構的概念，可以在石墨烯單層中獲得37.5％的吸收【在先技術2： Cai,etal.,Appl.Phys.Lett.106(4),043105(2015)】。Grande等人設計了一個簡單的一維電介 質光柵基的吸收器，利用光柵的導模諧振效應可以獲得60％的光吸收【在先技術3：Grande, etal.,Opt.Express22,31511–31519(2014)】。Piper等人利用光子晶體的導模諧振效應實現了 臨界耦合，從而在石墨烯單層中獲得了完全的光吸收【在先技術4：Piper,etal.,ACS Photonics1(4),347–353(2014)】。Hu等人探討了基于多層光柵結構的石墨烯納米條中的增 強吸收現象，但是完全的光吸收僅僅在光非垂直入射時可以實現【在先技術5：Hu,etal., Appl.Phys.Lett.105,221113(2014)】。

矩形光柵通常是利用微納加工工藝，在襯底上加工出的具有矩形槽形的光柵。亞波長 矩形光柵的衍射問題，不能由簡單的標量光柵衍射來處理，而必須采用矢量形式的麥克斯 韋方程并結合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地求解。Moharam等人已給出了嚴格 耦合波理論的算法【在先技術6：M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】， 可以解決這類亞波長光柵的衍射問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種用于光通信波段的基于石墨烯單層和布拉格光柵 的超窄帶TE偏振光譜選擇性吸收器，當光垂直入射時，其在中心波長附近一個極窄波段 范圍內的入射光將被吸收，隨著結構參數的變化，吸收光譜會發生頻移，峰值吸收波長會 隨之發生頻移，但是在各峰值波長處可始終保持近100％的吸收，并且吸收譜線的半高全寬 一直小于4納米。同時對于不同的入射波長，其吸收角度不同，并且隨著角度的增加，角 譜的寬度快速減小，具有很高的空間方向性，類似于天線的特性。因此，該超窄帶光譜選 擇性吸收器具有重要的實用價值。

本發明的技術解決方案如下：

一種用于紅外波段的基于石墨烯單層和布拉格光柵的超窄帶TE偏振光譜選擇性吸收 器，其特征在于該吸收器包括自上而下的電介質光柵層、單層石墨烯和布拉格光柵層，所 述電介質光柵層的周期、脊寬和厚度分別為574～576納米、548～550納米和219～221納 米，所述布拉格光柵層由至少20對的低折射率電介質平板和高折射率電介質平板組成，低 折射率電介質平板的厚度為340～350納米，高折射率電介質平板的厚度為165～175納米。

最佳的吸收器的頂部電介質光柵層的周期、脊寬和厚度分別為575納米、549納米和 220納米，布拉格光柵層為20對低折射率電介質平板和高折射率電介質平板，其厚度分別 為345納米和170納米。

與現有技術相比，本發明的技術效果如下：