基于單層石墨烯和布拉格光柵的光譜選擇性吸收器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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(shù)】
[0002] 近年來(lái)，由于具有唯一的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱特性，石墨烯已經(jīng)被廣泛地研究。作 為一個(gè)幾年前剛剛發(fā)現(xiàn)的超薄兩維碳基材料，石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如，光調(diào)制 器、吸收器、成像器件、光電探測(cè)器和寬帶的起偏器等等。由于石墨烯單層僅僅只有單個(gè)原 子層厚，在這些應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)就是如何增強(qiáng)光與石墨烯的相互作用，因而如何實(shí)現(xiàn)石 墨烯單層的完全光吸收就成為趨勢(shì)。
[0003] 在中遠(yuǎn)紅外波段，石墨烯有兩個(gè)重要的特征。一個(gè)就是其電導(dǎo)率可以通過(guò)化學(xué)摻 雜或靜電開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)從近紅外到太赫茲波段的調(diào)諧；另一個(gè)就是具有強(qiáng)的等離子響應(yīng)，這 將導(dǎo)致強(qiáng)的光與石墨烯相互作用。在這些波段，可以通過(guò)等離子諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)石墨烯中的理 想光吸收。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在可見和近紅外波段(λ〈2μπι)，非摻雜石墨烯不能激發(fā)等離子響應(yīng)。在 光垂直入射時(shí)，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(zhì)材料，具有常數(shù)吸收。因而新的方法應(yīng)當(dāng)被提出來(lái)增強(qiáng)這些波段的光吸收。Liu等人提出 利用一維光子晶體來(lái)增強(qiáng)石墨烯中的光吸收，其可以獲得偏振無(wú)關(guān)的增強(qiáng)吸收，但是增強(qiáng) 因子很小【在先技術(shù)l:Liu，et al.，厶口口1上1^8.1^?.101(5)，052104(2012)】。031等人提出 融合石墨烯單層和金屬納米結(jié)構(gòu)的概念，可以在石墨烯單層中獲得37.5%的吸收【在先技 術(shù)2:Cai，et al ·，Appl .Phys.Lett. 106(4)，043105(2015)】。6抑11(16等人設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的 一維電介質(zhì)光柵基的吸收器，利用光柵的導(dǎo)模諧振效應(yīng)可以獲得60%的光吸收【在先技術(shù) 3:Grande，et al ·，0pt.Express 22,31511-31519(2014)】。？丨口61·等人利用光子晶體的導(dǎo)模 諧振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(shù)4:Pip er， et al.，ACS Photonics 1(4)，347_353(2014)】。!111等人探討了基于多層光柵結(jié)構(gòu)的石墨稀 納米條中的增強(qiáng)吸收現(xiàn)象，但是完全的光吸收僅僅在光非垂直入射時(shí)可以實(shí)現(xiàn)【在先技術(shù) 5:Hu,et al·，Appl.Phys·Lett.105,221113(2014)】。
[0004] 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(zhǎng)矩形光柵的衍射問題，不能由簡(jiǎn)單的標(biāo)量光柵衍射來(lái)處理，而必須采用矢量形式的麥 克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過(guò)編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地求解。Moharam等人已給出了嚴(yán) 格親合波理論的算法【在先技術(shù)6:M.G.Moharam et al.，J.0pt.Soc.Am.A.12，1077 (1995)】，可以解決這類亞波長(zhǎng)光柵的衍射問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)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(dāng)光垂直入射時(shí)，其在中心波長(zhǎng)附近一個(gè)極窄 波段范圍內(nèi)的入射光將被吸收，隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，吸收光譜會(huì)發(fā)生頻移，峰值吸收波長(zhǎng) 會(huì)隨之發(fā)生頻移，但是在各峰值波長(zhǎng)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(shí)對(duì)于不同的入射波長(zhǎng)，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(shí)用價(jià)值。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] 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(zhì)光柵層、單層石墨烯和布拉格光柵層， 所述電介質(zhì)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(duì)的低折射率電介質(zhì)平板和高折射率電介質(zhì)平板組成，低 折射率電介質(zhì)平板的厚度為340~350納米，高折射率電介質(zhì)平板的厚度為165~175納米。
[0008] 最佳的吸收器的頂部電介質(zhì)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(duì)低折射率電介質(zhì)平板和高折射率電介質(zhì)平板，其厚度分別 為345納米和170納米。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0010] 特別是當(dāng)吸收器的頂部電介質(zhì)光柵層的周期、脊寬和厚度分別為575納米、549納 米和220納米，底部布拉格光柵層為20對(duì)低折射率電介質(zhì)平板和高折射率電介質(zhì)平板，其厚 度分別為345納米和170納米時(shí)：
[0011] (1)當(dāng)光通信波段（1500-1600納米)的光垂直入射時(shí)，其在中心波長(zhǎng)1550納米附近 一個(gè)極窄波段范圍內(nèi)的入射光將被吸收，峰值吸收率接近100%，半高全寬小于4納米，對(duì)于 不同的入射波長(zhǎng)，其吸收/輻射角度不同，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。
[0012] (2)具有使用靈活方便、峰值吸收率高，吸收的半高全寬很小和空間相關(guān)性較好等 優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的光譜選擇性吸收器件，利用光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置 結(jié)合微電子刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，制作后的吸收器件性能穩(wěn)定、可靠，具有 重要的實(shí)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的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 光譜選擇性吸收器的幾何結(jié)構(gòu)。
[0014] 圖中，1代表區(qū)域1(折射率為m)，2代表電介質(zhì)光柵層，3代表石墨烯單層，4代表布 拉格光柵層，由N(N= 20)對(duì)低折射率電介質(zhì)平板（折射率為ηι)和高折射率層電介質(zhì)平板 (折射率為nh)組成，nKnhJE偏振光（電場(chǎng)方向沿著y軸)從區(qū)域1入射該器件。d為電介質(zhì)光 柵周期，w為電介質(zhì)光柵脊寬，h為電介質(zhì)光柵厚度，hjPhb分別為布拉格光柵的低折射率層