一种可调双通道光子滤波器的制作方法

1.本发明属于光学技术领域，涉及一种可调双通道光子滤波器。


背景技术：

2.滤波器分为带通、带阻、低通和高通四种类型。在多信道通信中，需要用到多通道滤波器，对单一频率进行滤波。在光纤通信系统中，可以通过波分复用技术来提高信道的容量，所用到的光波分复用器就是一种多通道器件。传统的光波分复用器是通过光纤光栅的来实现对信道的解复。人造光子晶体的出现，为波分复用技术中的多通道滤波器设计提供了新的方案。
3.将两种折射率不同的电介质在空间中进行性交替排列，就可以得到一维、二维或三维光子晶体。光子晶体具有能带结构，该特性可以实现对光波的全透射和全反射。带缺陷的光子晶体能带中会出现缺陷模。当入射光波长等于缺陷模时，便会形成共振输出，此时透射率极大而反射极小。此类结构可被用于单信道光子滤波器。
4.非周期光子晶体也具有能带结构，只是非周期光子晶体的有序性不如周期性光子晶体。然而非周期光子晶体天然地存在多个缺陷层，这使得非周期光子晶体更容易得到多个共振缺陷模。准周期光子晶体的有序性位于周期性光子晶体和非周期光子晶体之间。在准光子晶体中，既可以得到多个共振缺陷模，且缺陷模的数量又可通过增加序列的序号来进行扩展。因此，准周期光子晶体可被用作多通道光子滤波器。然而光子晶体一旦形成，缺陷层的位置就被固定，很难对缺陷模的中心频率进行调控。
5.石墨烯是一种超薄的二维材料，其表面电导率可以通过石墨烯的化学势来灵活调控。当把石墨烯等效成一定厚度的电介质时，其等效折射率是化学势的函数。因此，可通过化学势来灵活调控石墨烯的等效折射率。如果将石墨烯嵌入到光子晶体中，则石墨烯的存在会引起整体结构透射率的改变。石墨烯的等效折射率是化学势的函数，进而可通过石墨烯的化学势来改变结构的透射谱，进而达到调控透射模中心频率的目的。
6.在数学上，周期倍增(period
‑
doubling：pd)序列是一种准周期序列，其对应的pd光子晶体是准周期光子晶体。在pd光子晶体中，存在一系列的透射模。这些透射模是由光波在缺陷层中共振形成的。随着序列序号的增加，缺陷模的数量迅速扩展，且缺陷模具有自相似特性，这种现象叫光学分形效应，对应的共振模也叫光学分形态。可以将光学分形态应用于多通道光滤波器中。再将石墨烯插入到pd光子晶体中，形成复合结构，则滤波通道的中心频率和透射率可以通过石墨烯的化学势来灵活调控。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种可调双通道光子滤波器，本发明所要解决的技术问题是设计一种能够调节滤波通道的透射率和中心频率的双通道光子滤波器。
8.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种可调双通道光子滤波器，其特征
在于，两种电介质薄片按照序号n＝3的周期倍增(period
‑
doubling：pd)序列依次排列，形成pd光子晶体，石墨烯被嵌入到相邻两薄片的分界面处，形成复合结构。具体地，包括五个第一电介质层和三个第二电介质层，所述第一电介质层和第二电介质层由入射方向至出射方向排列顺序为：第一电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第一电介质层、第一电介质层、第二电介质层、第一电介质层、第二电介质层；第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不同的均匀电介质；第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自折射率对应的1/4光学波长；相邻第一电介质层的分界处或第一电介质层与第二电介质层的分界处分别嵌入有一石墨烯单层；横磁波从可调双通道光子滤波器的入射侧垂直入射。
9.进一步的，所述第一电介质层为碲化铅，第二电介质层为冰晶石。
10.进一步的，所述可调双通道光子滤波器中存在双波长共振的光学分形态，对应着两个透射模。这两个透射模可用于双通道光子滤波，两个滤波通道的透射率和中心频率通过石墨烯单层的化学势调控。
附图说明
11.图1是双通道光子滤波器的复合结构示意图。
12.图2是pd光子晶体与石墨烯复合结构的透射谱。
13.图3是不同的石墨烯化学势对应的透射谱。
14.图4(a)是信道1的透射率随石墨烯化学势的变化关系；图4(b)信道1的归一化频率随石墨烯化学势的变化关系；图4(c)信道2的透射率随石墨烯化学势的变化关系；图4(d)信道2的归一化频率随石墨烯化学势的变化关系。
15.图中，h、第一电介质层；l、第二电介质层；g、石墨烯单层。
具体实施方式
16.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
17.如图1给出了序号n＝3的周期倍增(period
‑
doubling：pd)光子晶体与石墨烯的复合结构，其中，h为高折射率材料碲化铅，其折射率为n
h
＝4.1；l为低折射率材料冰晶石，其折射率为n
l
＝1.35。入射光为横磁波，从左边垂直入射。符号i
i
为入射光线，i
o
为透射光线。h和l的厚度均为1/4光学波长，即h的厚度为d
h
＝λ0/4/n
h
＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，l的厚度为d
l
＝λ0/4/n
l
＝0.287μm。电介质h和l按照n＝3的pd序列规则依次排列，再将石墨烯嵌入到相邻两层电介质薄片的分界面处。g表示石墨烯，石墨烯是超薄的二维材料，相对于电介质薄片h和l的厚度，石墨烯的厚度可以忽略不计。该复合结构可以表示成hglghghghglghgl。
18.数学上，pd序列的迭代规则为：s0＝h，s1＝hl，s2＝hlhh，
……
，s
n
＝s
n
‑1s
n
‑2s
n
‑2，
……
，其中n(n＝0，1，2，3，
……
)为序列的序号，s
n
表示序列的第n项。在对应的pd光子晶体中，字母h、l分别表示折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。
19.当光子晶体中不含石墨烯时，以横磁波垂直入射，图2给出的是序号n＝3对应的pd光子晶体的透射谱。纵坐标t表示透射率，横坐标(ω
‑
ω0)/ω
gap
表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ω
gap
＝4ω0arcsin
│
(n
a
‑
n
b
)/(n
a
n
b
)|2/π分别表示入射光角频率、入
射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。可以看到，在归一化频率为(
‑
1,1)区间内，存在一个光子带隙，在带隙中间，出现了两个共振峰，对应着2个滤波通道，用*标注。从左到右，按照顺序将这个两个通道命名为信道1和信道2。
20.当在n＝3的pd光子晶体中插入石墨烯时，石墨烯位于两相邻电介质薄片的分界面处，形成pd光子晶体与石墨烯的复合结构。改变石墨烯的化学势，图3给出的是复合结构中不同石墨烯化学势对应的透射谱。可以看到，当石墨烯的化学势改变时，光波的透射谱不重合。但是每根谱线的带隙中都存在两个透射峰，分别对应着信道1和信道2，用椭圆圈标记。但随着石墨烯化学势的改变，透射峰的中心频率有些略微的移动，且透射峰的峰值大小也会受到影响。因此，当以该复合结构作为双通道光子滤波器时，滤波通道的透射率和中心频率可以通过石墨烯的化学势来灵活地调控。
21.将图3中信道1对应的透射率记为t1，对应的透射模中心频率记为ω1；将信道2对应的透射率记为t2，对应的透射模中心频率记为ω2。图4(a)给出的是信道1的透射率t1随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ
c
≤0.25ev时，t1＝0.7196；当μ
c
>0.25ev时，t1≈0.967。透射率t1在化学势μ
c
＝0.3ev处存在一个向上的跳变。图4(b)给出的是信道1的透射模中心频率ω1随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ
c
≤0.3ev时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而减小；当μ
c
>0.3ev时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而增大。透射模中心频率在化学势μ
c
＝0.3ev处最小。
22.图4(c)给出的是信道2的透射率t2随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ
c
≤0.45ev时，t2＝0.7166；当μ
c
>0.45ev时，透射率随石墨烯的化学势增大而增大。透射率t2在化学势μ
c
>0.55ev以后逐渐趋于饱和，饱和值约为t2＝0.967。图4(b)给出的是信道2的透射模中心频率ω2随石墨烯化学势的变化关系。可以看到，当μ
c
≤0.5ev时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而减小；当μ
c
>0.5ev时，透射模中心频率随石墨烯的化学势增大而增大。透射模中心频率在化学势μ
c
＝0.5ev处最小。
23.总之，序号n＝3的pd光子晶体和石墨烯的复合结构中存在两个可调的光学分形态，对应着两个透射模。这两个透射模可被用于双通道光子滤波器，滤波通道的透射率和中心频率可以同时通过石墨烯的化学势来灵活调控。
24.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。