[发明专利]一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构

说明书

本发明提供了一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，具体包括硅基布拉格光栅以及在硅基布拉格光栅上覆盖的单层石墨烯材料。本发明提供的石墨烯布拉格光栅可以在中红外波段动态调节，并且可以实现光学滤波和光开关的功能。与传统布拉格光栅相比，本发明不仅具有很好的光学滤波和光开关的效果，而且只需要改变加载在石墨烯上的偏置电压即可控制光栅的光学特性，克服了传统布拉格光栅通过改变结构参数、外部环境等控制光栅光学特性的诸多缺陷，在环境监测、频谱分析中具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及微纳光子学领域，尤其涉及一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构。

背景技术

布拉格光栅是一种非常重要的光学器件，在光谱学分析和信息处理方面具有广泛的应用。硅基布拉格光栅更是由于阻尼系数小、辐射损耗低且集成化工艺成熟被寄希望于实现超高速数据传输通讯，广泛应用于光学滤波、光开关、波分复用以及传感等领域。但目前硅基布拉格光栅面临着诸多的问题，其中一个重要的问题就是如何实现硅基布拉格光栅的调控。光栅作为精密仪器，其光学特性与其材料、结构参数密切相关，但是传统硅基光栅一旦制作完成，其材料和结构参数将无法改变，导致这种固定性光栅只能对固定波长范围内的光进行作用，造成诸多的不便和浪费。

目前在微纳尺寸上调控固定结构光栅的方法主要有以下几种：第一种方法是利用某些材料的光敏特性，制作复合型光敏光栅，这种方法需要大功率的激光来激发，不易实现器件的微小化和集成化，并且产生的强光可能形成极强的散射光，完全湮没激发等离子体的入射光；第二种方法是通过改变外界的环境的温度来改变材料折射率，从而达到调控的目的。但这种方法不仅容易引起材料形变，而且温度的变化，材料折射率的改变是比较微小的，通常情况下，布拉格共振波长变化只有几十pm/℃，调节范围非常有限。第三种方法是在光栅引入液晶等流体，利用流体的折射率大、形状可变的特性，通过微流控技术调控光栅的光学特性。这种方法虽然通常调节范围较大，可达到几百纳米，但这种调控方法操作复杂，特定的调控波长需要调整特定折射率的流体，响应速度慢，并且向微纳器件中填充流体是一个复杂的工程。这三种方法虽然可以达到调控光栅特性的目的，但均存在着调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便，因此，找到一个简单方便、高速调控光栅的方法是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，以解决现有光栅调控存在调节复杂、响应速度慢等缺陷，在实际应用存在诸多不便这一问题。

发明目的：本发明针对传统布拉格光栅无法调谐或者调节范围小、响应速度慢等缺陷，设计了一种基于石墨烯布拉格光栅的混合等离子体波导，利用石墨烯响应速度快、调整石墨烯化学势、掺杂浓度可调控其光学性质的特点，通过调控加载在布拉格光栅两边石墨烯的电压，创造了一种在中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅，实现了光学滤波和光开关的功能。

为了实现上述目的，本发明采用的方案为一种中红外波段可动态控制的多功能布拉格光栅结构，所述多功能布拉格光栅结构由硅基布拉格光栅和覆盖于硅基布拉格光栅表面的单层石墨烯组成。本实施例中，所述布拉格光栅两边的电极通过良导体引出。

进一步地，在一种实现方式中，所述布拉格光栅以长方体硅基为轴轴向对称，在所述长方体硅基两侧有硅材料的凸状体，所述硅材料的凸状体周期性的排列，形成凸凹状的布拉格光栅，在所述凸凹状的布拉格光栅表面覆盖有单层石墨烯。

进一步地，在一种实现方式中，根据以下公式，计算所述石墨烯的表面电导率σ：

其中，e表示电子电荷，ω表示角频率，表示普朗克常数，k_B表示波尔兹曼常数，T表示温度，Γ表示散射率，μ_c表示化学势。