[發(fā)明專(zhuān)利]基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜的石墨烯復(fù)折射率測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710444901.3
• 申請(qǐng)日: 2017-06-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107300537A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張曉霞;王鴻;陳浩;皮峣迪;余力
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/41
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域，涉及長(zhǎng)周期光纖光柵與石墨烯的集成。

背景技術(shù)

石墨烯材料是一種碳基二維晶體，單層石墨烯其具有很多優(yōu)異的光電性質(zhì)。石墨烯對(duì)光的吸收效率可以達(dá)到2.3％，在可見(jiàn)光區(qū)的透過(guò)率高達(dá)97％以上，有著優(yōu)越的光學(xué)性能。同時(shí)，石墨烯具有超高的載流子遷移率和電導(dǎo)率。石墨烯的這些優(yōu)良的光電性質(zhì)，使其成為制造光電器件的理想材料。

在基于石墨烯的電光調(diào)制器的設(shè)計(jì)中，石墨烯復(fù)折射率的實(shí)部和虛部分別影響電光調(diào)制器中光信號(hào)的相位與強(qiáng)度，石墨烯復(fù)折射率的測(cè)量對(duì)研究調(diào)制器中的調(diào)制機(jī)理尤為重要。由于石墨烯材料的厚度在納米量級(jí)，用于測(cè)量體材料折射率的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無(wú)法適用。目前測(cè)量石墨烯材料復(fù)折射率的方法主要是橢圓偏振法，這一方法需要昂貴的光學(xué)儀器和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)處理軟件，并且其測(cè)量得到的石墨烯復(fù)折射率是材料本身屬性，未考慮石墨烯和光波導(dǎo)的集成，測(cè)量結(jié)果對(duì)于研究電光調(diào)制器的意義不大。因此，為了能夠?qū)⑹┡c光波導(dǎo)集成，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量石墨烯復(fù)折射率，提出了基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜的石墨烯復(fù)折射率測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜測(cè)量石墨烯復(fù)折射率的方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)提供的測(cè)量石墨烯復(fù)折射率的方法，未考慮石墨烯和光波導(dǎo)的集成的問(wèn)題。

本發(fā)明的目的在于提供基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜測(cè)量石墨烯復(fù)折射率的方法,其特征在于：采用將石墨烯包裹到長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵區(qū)域表面，由于長(zhǎng)周期光纖光柵中包層模的表面倏逝波的存在，這一表面倏逝波將與石墨烯相互作用，導(dǎo)致包層模有效折射率的變化，根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵的耦合模理論，石墨烯包裹長(zhǎng)周期光纖光柵前后，透射譜中各次諧振波長(zhǎng)與纖芯，包層與外部介質(zhì)的折射率，石墨烯復(fù)折射率，長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵周期有關(guān)，可以看出諧振波長(zhǎng)是石墨烯復(fù)折射率的函數(shù)。通過(guò)測(cè)量透射光譜中諧振處的中心波長(zhǎng)偏移量，得出石墨烯的復(fù)折射率。

進(jìn)一步，該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。

步驟一，測(cè)量石墨烯包裹前的長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜。

步驟二，將石墨烯材料包裹到長(zhǎng)周期光纖光柵的包層表面。

步驟三，測(cè)量石墨烯包裹長(zhǎng)周期光纖光柵后的透射譜。

步驟四，根據(jù)步驟一和步驟三的記錄的透射譜數(shù)據(jù)，計(jì)算透射譜中各級(jí)次諧振波長(zhǎng)的偏移量。

步驟五，根據(jù)長(zhǎng)周期光纖光柵的固定參數(shù)，采用三層復(fù)折射率包層介質(zhì)模型建立石墨烯包裹長(zhǎng)周期光纖光柵混合波導(dǎo)的本征方程。

步驟六，改變外包層折射率多次求解纖芯模有效折射率以及包裹石墨烯前后的各次包層模有效折射率,建立石墨烯復(fù)折射率和諧振波長(zhǎng)偏移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表格。

步驟七，查表計(jì)算石墨烯復(fù)折射率。

進(jìn)一步，在步驟二中，采用濕法轉(zhuǎn)移法將石墨烯轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)周期光纖光柵表面。

進(jìn)一步，在步驟六中，可以建立石墨烯復(fù)折射率和各個(gè)諧振波長(zhǎng)偏移量的多個(gè)表格，測(cè)量不同諧振波長(zhǎng)處的石墨烯復(fù)折射率。

本發(fā)明通過(guò)采用長(zhǎng)周期光纖光柵結(jié)構(gòu)與石墨烯結(jié)合的方式，使得石墨烯與光波導(dǎo)一階各次包層模的表面倏逝波相互作用，長(zhǎng)周期光纖光柵的諧振條件將這一作用反映到透射譜中。這種方法的測(cè)量系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程中考慮了波導(dǎo)對(duì)石墨烯的影響。且由于光纖纖芯中寫(xiě)入了長(zhǎng)周期性光柵，因此不需要對(duì)光纖的包層進(jìn)行腐蝕，也可以將包層模中的倏逝波引導(dǎo)到石墨烯表面，保證了光纖的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這種方法也可以推廣到其他薄膜材料折射率的測(cè)量和光纖傳感器設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施方案提供的基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜的石墨烯復(fù)折射率測(cè)量方法的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2為本發(fā)明實(shí)施方案提供的基于長(zhǎng)周期光纖光柵光譜的石墨烯復(fù)折射率測(cè)量方法的原理示意圖。

具體實(shí)施方案

以下結(jié)合技術(shù)方案(和附圖)詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

該方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下。

步驟一，采用透射式測(cè)量系統(tǒng)，將光譜儀的光譜分辨率調(diào)至最高，掃描范圍設(shè)置1500nm-1600nm，測(cè)量長(zhǎng)周期光纖光柵的透射譜，這一范圍測(cè)出的諧振波長(zhǎng)通常是第7次包層模耦合產(chǎn)生的，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)附圖1。

步驟二，采用濕法轉(zhuǎn)移法，將石墨烯材料包裹到長(zhǎng)周期光纖光柵的包層表面，見(jiàn)附圖2。

步驟三，采用透射式測(cè)量系統(tǒng)，保持光譜儀的掃描范圍和分辨率不變，測(cè)量石墨烯包裹長(zhǎng)周期光纖光柵圓柱波導(dǎo)的透射譜，記錄諧振峰中心波長(zhǎng)的位置。

步驟四，根據(jù)步驟一和步驟三的記錄的透射譜數(shù)據(jù)，計(jì)算透射譜中諧振波長(zhǎng)的偏移量。

步驟五，采用三層復(fù)折射率包層介質(zhì)模型建立石墨烯包裹長(zhǎng)周期光纖光柵混合波導(dǎo)的本征方程。