[發(fā)明專(zhuān)利]一種中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010573612.5
• 申請(qǐng)日: 2020-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111708111B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李先平;安剛;晁曉宏;魏康;李鵬江;茍永植
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G02B5/18
• 分類(lèi)號(hào): G02B5/18;G02F1/01
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 胡建華

本發(fā)明提供了一種中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)，具體包括硅基布拉格光柵以及在硅基布拉格光柵上覆蓋的單層石墨烯材料。本發(fā)明提供的石墨烯布拉格光柵可以在中紅外波段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并且可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波和光開(kāi)關(guān)的功能。與傳統(tǒng)布拉格光柵相比，本發(fā)明不僅具有很好的光學(xué)濾波和光開(kāi)關(guān)的效果，而且只需要改變加載在石墨烯上的偏置電壓即可控制光柵的光學(xué)特性，克服了傳統(tǒng)布拉格光柵通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部環(huán)境等控制光柵光學(xué)特性的諸多缺陷，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、頻譜分析中具有重要的意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

布拉格光柵是一種非常重要的光學(xué)器件，在光譜學(xué)分析和信息處理方面具有廣泛的應(yīng)用。硅基布拉格光柵更是由于阻尼系數(shù)小、輻射損耗低且集成化工藝成熟被寄希望于實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸通訊，廣泛應(yīng)用于光學(xué)濾波、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用以及傳感等領(lǐng)域。但目前硅基布拉格光柵面臨著諸多的問(wèn)題，其中一個(gè)重要的問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)硅基布拉格光柵的調(diào)控。光柵作為精密儀器，其光學(xué)特性與其材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，但是傳統(tǒng)硅基光柵一旦制作完成，其材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)將無(wú)法改變，導(dǎo)致這種固定性光柵只能對(duì)固定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光進(jìn)行作用，造成諸多的不便和浪費(fèi)。

目前在微納尺寸上調(diào)控固定結(jié)構(gòu)光柵的方法主要有以下幾種：第一種方法是利用某些材料的光敏特性，制作復(fù)合型光敏光柵，這種方法需要大功率的激光來(lái)激發(fā)，不易實(shí)現(xiàn)器件的微小化和集成化，并且產(chǎn)生的強(qiáng)光可能形成極強(qiáng)的散射光，完全湮沒(méi)激發(fā)等離子體的入射光；第二種方法是通過(guò)改變外界的環(huán)境的溫度來(lái)改變材料折射率，從而達(dá)到調(diào)控的目的。但這種方法不僅容易引起材料形變，而且溫度的變化，材料折射率的改變是比較微小的，通常情況下，布拉格共振波長(zhǎng)變化只有幾十pm/℃，調(diào)節(jié)范圍非常有限。第三種方法是在光柵引入液晶等流體，利用流體的折射率大、形狀可變的特性，通過(guò)微流控技術(shù)調(diào)控光柵的光學(xué)特性。這種方法雖然通常調(diào)節(jié)范圍較大，可達(dá)到幾百納米，但這種調(diào)控方法操作復(fù)雜，特定的調(diào)控波長(zhǎng)需要調(diào)整特定折射率的流體，響應(yīng)速度慢，并且向微納器件中填充流體是一個(gè)復(fù)雜的工程。這三種方法雖然可以達(dá)到調(diào)控光柵特性的目的，但均存在著調(diào)節(jié)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢等缺陷，在實(shí)際應(yīng)用存在諸多不便，因此，找到一個(gè)簡(jiǎn)單方便、高速調(diào)控光柵的方法是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有光柵調(diào)控存在調(diào)節(jié)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢等缺陷，在實(shí)際應(yīng)用存在諸多不便這一問(wèn)題。

發(fā)明目的：本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)布拉格光柵無(wú)法調(diào)諧或者調(diào)節(jié)范圍小、響應(yīng)速度慢等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯布拉格光柵的混合等離子體波導(dǎo)，利用石墨烯響應(yīng)速度快、調(diào)整石墨烯化學(xué)勢(shì)、摻雜濃度可調(diào)控其光學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)控加載在布拉格光柵兩邊石墨烯的電壓，創(chuàng)造了一種在中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)濾波和光開(kāi)關(guān)的功能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的方案為一種中紅外波段可動(dòng)態(tài)控制的多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)，所述多功能布拉格光柵結(jié)構(gòu)由硅基布拉格光柵和覆蓋于硅基布拉格光柵表面的單層石墨烯組成。本實(shí)施例中，所述布拉格光柵兩邊的電極通過(guò)良導(dǎo)體引出。

進(jìn)一步地，在一種實(shí)現(xiàn)方式中，所述布拉格光柵以長(zhǎng)方體硅基為軸軸向?qū)ΨQ(chēng)，在所述長(zhǎng)方體硅基兩側(cè)有硅材料的凸?fàn)铙w，所述硅材料的凸?fàn)铙w周期性的排列，形成凸凹狀的布拉格光柵，在所述凸凹狀的布拉格光柵表面覆蓋有單層石墨烯。

進(jìn)一步地，在一種實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)以下公式，計(jì)算所述石墨烯的表面電導(dǎo)率σ：

其中，e表示電子電荷，ω表示角頻率，表示普朗克常數(shù)，k_B表示波爾茲曼常數(shù)，T表示溫度，Γ表示散射率，μ_c表示化學(xué)勢(shì)。