[发明专利]基于单层石墨烯和布拉格光栅的光谱选择性吸收器

说明书

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.,ACS Photonics1(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：