一种基于Cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器的制作方法

一种基于cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器
技术领域
1.本发明属于光学技术领域，涉及一种基于cantor光子晶体和 石墨烯复合结构的光子滤波器。


背景技术：

2.滤波器分为带通、带阻、低通和高通四种类型。但是在多信 道通信中，需要对多个分离的单一频率进行滤波，这就要用到多 通道滤波器。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，该技术中的关键部件便是光波分复用器。传统的光 波分复用器是通过光纤光栅的来实现对信道的滤波和分离。人造 光子晶体的发展，为波分复用技术中的多通道滤波器提供了新的 研究方向。
3.将两种折射率不同的电介质在空间中进行周期性排列，就可 以形成一维、二维或三维光子晶体。光子的晶体具有光子能带结 构，可以实现对光波的全透射和全反射。如果在光子晶体中插入 缺陷，则在光子能带中就会出现单一的缺陷模。一般地，当入射 光波长等于缺陷模波长时，便会形成共振输出，即透射率极大， 而反射极小。因此该类结构可被用于单信道光子滤波器。
4.研究表明，非周期光子晶体也具有能带结构，只是非周期光 子晶体的有序性没有周期性光子晶体的好。但重要的是，非周期 光子晶体中天然地存在多个缺陷层，这使得非周期光子晶体中有 多个共振的缺陷模。而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 较强的共振缺陷模，而模的数量又可以通过增加序列的序列号来 扩展。因此，准周期光子晶体是一种可被用于多通道光子滤波器 的理想结构。
5.然而光子晶体一旦形成，则缺陷模的位置就被固定下来，很 难对缺陷模的中心频率进行调控。
6.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， 其等效折射率就是石墨烯化学势的函数。因此，可以通过石墨烯 的化学势来灵活调控电介质的等效折射率。如果将石墨烯嵌入到 光子晶体中，则石墨烯的存在会影响到整体结构的透射率。石墨 烯的表面电导率是化学势函数，进而可以通过石墨烯的化学势来 调控结构的透射谱，从实现调控透射模的中心频率的目的。
7.在数学上，cantor序列是一种准周期序列，其对应的cantor 光子晶体为准周期光子晶体。因此，在cantor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满足不同的共 振条件而形成的。随着cantor序列序号的增加，缺陷模的数量呈 几何级数增加，并且，这些缺陷模具有自相似特性，故也将这种 现象叫光学分形效应，所对应的共振模叫光学分形态。可以将这 些光学分形态应用于多通道光滤波。再将石墨烯插入到cantor光 子晶体中，形成复合结构，则可以通过石墨烯的化学势来灵活调 控滤波通道的中心频率和透射率。


技术实现要素：

8.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 基于cantor光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，本发明所 要解决的技术问题是cantor光子晶体能够应用于可调双通道光子 滤波器。
9.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于cantor 光子晶体和石墨烯复合结构的光子滤波器，其特征在于，包括若 干第一电介质层和若干第二电介质层，记第一电介质层为a、第 二电介质层为b，所述cantor光子晶体的序列序号为n＝2，第一 电介质层、第二电介质层的排列规则为：ababbbaba；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；各邻层之间均嵌入有一个石墨烯单层g。整个复合结构可 表示为agbgagbgbgbgagbga。
10.进一步的，所述第一电介质层为二氧化硅；所述第二电介质 层为硅。
11.将两种电介质薄片按照序号n＝2的cantor序列依次排列，形 成cantor准光子晶体，再将石墨烯嵌入到相邻两薄片的分界面处， 形成复合结构。此结构中存在双波长共振的光学分形态，对应着 两个透射模。透射模的透射率和中心波长可以通过石墨烯的化学 势来灵活调控，该效应可用于可调双通道光子滤波器。
附图说明
12.图1是cantor光子晶体与石墨烯复合结构示意图(序号 n＝2)。
13.图2是cantor光子晶体与石墨烯复合结构的透射谱。
14.图3的图(a)是图2中通道1的透射率随石墨烯的化学势变化 关系；图3的图(b)是图2中通道1的归一化频率随石墨烯的化学 势变化关系。
15.图4的(a)图是图2中通道2的透射率随石墨烯的化学势变 化关系；图4的图(b)是图2中通道2的归一化频率随石墨烯的化 学势变化关系。
16.图中，a、第一电介质层；b、第二电介质层；g、石墨烯单 层。
具体实施方式
17.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。
18.数学上，cantor序列的迭代规则为：s0＝a，s1＝aba，s2＝ ababbbaba,s3＝s3(3b)3s3，
……
，s
n
＝s
n
‑1(3b)
n
‑1s
n
‑1，
……
， 其中n(n＝0，1，2，3，
……
)序列的序号，s
n
表示序列的第n 项。在对应的cantor光子晶体中，字母a、b分别代表两种折射 率不同的均匀电介质。如图1给出了序号n＝2的cantor光子晶 体光子与石墨烯的复合结构，其中a为二氧化硅，其折射率为 n
a
＝3.53；b为硅，其折射率为n
b
＝1.46。电介质a和b按照序号 n＝2的cantor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。符号g表示石墨烯。这样，该复合结构可 以表示成agbgagbgbgbgagbga。入射光为横磁波，从左边 入射，入射角为θ。符号i1为入射光线，i2为反射光线，i3为透射 光线。a和b的厚度均为1/4光学波长，即a厚度为 d
a
＝λ0/4/n
a
＝0.1098μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长， 薄片b的厚度为d
b
＝λ0/4/n
b
＝0.2654μm。石墨烯为超薄的二维材料， 相对于电介质薄片a和b的厚度，石墨
烯的厚度可以忽略不计。
19.当横磁波垂直入射时，即θ＝0
°
，图2给出的是序号n＝2对应 的cantor光子晶体与石墨烯复合结构的透射谱。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，出现两个共振峰，对应着两个 滤波通道，用*标注。按从左到右的顺序，依次将这个两个通道命 名为通道1和通道2。可以看到，随着石墨烯的化学势不同，这 两个共振模的透射率不同，而且共振峰的中心频率也略微移动。 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调控。
20.将图2中通道1对应的透射率记为t1，对应的透射模中心频 率记为ω1；将通道2对应的透射率记为t2，对应的透射模中心频 率记为ω2。图3(a)给出的是通道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
≤0.3ev时，t1＝0.5；当μ
c
≥0.35ev 时，t1＝1。透射率t1在化学势μ
c
＝0.35ev处存在一个向上的跳变。 图3(b)给出的是通道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。
21.图4(a)给出的是通道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，t1＝0.5；当μ
c
≥0.5ev时，t1＝1。 透射率t1在化学势μ
c
＝0.5ev处存在一个向上的跳变。图4(b) 给出的是通道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。
22.总之，序号n＝2的cantor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 时石墨烯的化学来灵活调控。
23.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。