一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器
阅读说明：本技术 一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器 (Adjustable multichannel photon filter based on Rudin-Shapiro photonic crystal pair ) 是由 刘芳华 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器,属于光学技术领域。包括对称分布的两个RS光子晶体和若干石墨烯单层G,RS光子晶体包括若干第一电介质层H和若干第二电介质层L,所述多通道光子滤波器的多层结构表示为：HGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGH；所述第一电介质层和第二电介质层分别为两种折射率不同的均匀电介质薄片,所述第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各种光学波长的1/4；所述多通道光子滤波器各信道的透射率和中心波长可通过石墨烯的化学势和入射角灵活地调控。(The invention provides a tunable multichannel photonic filter based on Rudin-Shapiro photonic crystal pairs, and belongs to the technical field of optics. Including two RS photonic crystals and a plurality of graphite alkene individual layer G of symmetric distribution, RS photonic crystal includes a plurality of first dielectric layers H and a plurality of second dielectric layers L, multichannel photon filter's multilayer structure shows: HGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGH, respectively; the first dielectric layer and the second dielectric layer are respectively uniform dielectric sheets with different refractive indexes, and the thicknesses of the first dielectric layer and the second dielectric layer are 1/4 of various optical wavelengths; the transmissivity and the central wavelength of each channel of the multichannel photon filter can be flexibly regulated and controlled through the chemical potential and the incident angle of the graphene.)
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器。
背景技术
将折射率不同的电介质薄片在空间呈周期性排列，可以构成一维、二维或三维光子晶体。光子晶体具有能带结构，该特性可被用于对光波的全透射或全反射。带缺陷光子晶体带隙中存在缺陷模，缺陷模也是一种透射模。缺陷模的透射率极大，而反射极小。缺陷可以增强电场的局域性，从而提高光波的共振输出。
准周期光子晶体也具有能带结构，其有序性介于周期性光子晶体和非周期光子晶体之间。准周期光子晶体中存在天然的缺陷层，常被用于获得缺陷模输出。另外，准周期光子晶体中缺陷模的数量可以随光子晶体序数增加而迅速地扩展，且这些缺陷模具有自相似特性。该现象也叫光学分形效应，对应的共振模也叫光学分形态。光学分形效应可应用于电场局域、反射增强、激光器和滤波器等。
特别地，根据幅频特性的不同，滤波器可分为带通、带阻、低通和高通四种类型。在波分复用技术中，需要对多信道进行滤波，这就要用到多通道滤波器。传统的光波分复用器是通过调控光纤光栅的空间周期来实现对信道的分离。人造光子晶体的兴起，为多通道滤波器的设计带来新的启发。
一般地，光子晶体一旦形成，则缺陷模的位置就固定下来，很难再对缺陷模的中心频率进行调控。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地调控。当把石墨烯等效成一定厚度的电介质时，石墨烯的等效折射率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地调控其等效折射率，从而改变结构的透射率，达到调控共振模的中心频率的目的。
在数学上，二元Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)序列是一种准周期序列，其对应的RS光子晶体是一种准周期光子晶体。在RS光子晶体中，存在一系列的透射模，对应着光学分形态。将光学分形效应应用于多通道光滤波器中，信道的数量随RS序列的序号的增加而增加。但是，在RS的光子晶体中，缺陷模的共振性较弱，即各信道的频率选择性较差。为提高信道的频率选择性，考虑将两个RS光子晶体沿同一轴线顺次排列，形成RS光子晶体对；整个结构关于中心原点对称，类似于一个分布反馈布拉格光栅。因此，相对于单一的RS光子晶体，RS光子晶体对对频率选择性更强。再将石墨烯插入到RS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地调控滤波通道的中心频率和透射率。
发明内容
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Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器，本发明所要解决的技术问题是使多层结构可用具有多波长共振的光学分形态的于光子滤波器。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于Rudin-Shapiro光子晶体对的可调多通道光子滤波器，其特征在于，包括对称分布的两个Rudin-Shapiro光子晶体和若干石墨烯单层G，所述Rudin-Shapiro光子晶体包括若干第一电介质层H和若干第二电介质层L，所述多通道光子滤波器的多层结构表示为：HGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGH，所述第一电介质层和第二电介质层分别为两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片，所述第一电介质层和第二电介质层的厚度分别为各自光学波长的1/4。
进一步的，所述第一电介质层为高折射率材料碲化铅，所述第二电介质层为低折射率材料冰晶石。
进一步的，所述多通道光子滤波器的信道的中心波长和透射率通过石墨烯单层的化学势调控。
进一步的，所述多通道光子滤波器的信道的中心波长和透射率通过入射角调控。
将折射率高、低不同的两种电介质薄片H和L，按照二元Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)序列依次排列，形成一个RS光子晶体对；再将石墨烯嵌入到相邻两电介质薄片的分界面处，形成复合结构。该结构关于原点对称，类似于一个分布反馈布拉格光栅。
RS光子晶体对与石墨烯复合结构中存在多波长共振的光学分形态，对应着一系列的透射模；相对于单一的RS光子晶体，RS光子晶体对中的光学分形态共振性更强，频率选择性更强；这些光学分形态可用于多通道光子滤波器，信道的数量可以通过增加RS序列的序号来扩展；信道的中心波长和透射率可以通过石墨烯的化学和入射角来灵活地调控。
附图说明
图1是序号N＝3的RS光子晶体对与石墨烯复合结构示意图。
图2是不同序号的RS光子晶体结构示意图。
图3是不同序号的RS光子晶体对与石墨烯复合机构中光波的透射谱[(a)图、(b)图和(c)图分别对应的RS光子晶体对的序号分别为N＝2、3和4]。
图4石墨烯化学势对复合结构中透射谱的影响(序列序号N＝3)；其中(a)图中的化学势μ＝0.3eV、(b)图中的化学势μ＝0.4eV、(c)图中的化学势μ＝0.5eV。
图5中的(a)图是透射峰P2的透射率随石墨烯的化学势变化关系；图5中的(b)图是透射峰P2的中心波长随石墨烯的化学势变化关系。
图6是序号N＝3时不同入射角对应的RS光子晶体对与石墨烯复合结构中的透射谱。
图7中(a)图是透射峰P1的透射率随入射角的变化关系；图7中(b)图是透射峰P1的中心波长随入射角的变化关系。
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
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。
图1给出的是序列序号N＝3的二元Rudin-Shapiro(RS：鲁丁-夏皮诺)光子晶体对与石墨烯的复合结构示意图。该RS光子晶体对可表示成：HHHLHHLHHLHHLHHH，其中字母H、L分别表示两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片。序号N＝3的RS光子晶体可表示成：HHHLHHLH。再将石墨烯嵌入到相邻两层电介质薄片的分界面处，用G表示单层石墨烯。该复合结构可以表示成HGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGLGHGHGH。可见，该复合结构关于原点呈对称分布，类似于一个分布反馈布拉格光栅。
在RS光子晶体对中，H为高折射率材料碲化铅，其折射率为nH＝4.1；L为低折射率材料冰晶石，其折射率为nL＝1.35。H和L的厚度均为1/4光学波长，即H的厚度为dH＝λ0/4/nH＝0.0945μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，L的厚度为dL＝λ0/4/nL＝0.287μm。入射光为横磁波，从左边入射；符号Ii为入射光线，Ir为反射光线，It为透射光线，θ为入射角。
单层石墨烯的厚度约为0.33nm(nm表示纳米)，相当于一个原子的尺寸。相对于电介质薄片H和L的厚度，石墨烯的厚度可以忽略。环境温度设置为300K(K表示开尔文)，石墨烯中电子的驰豫时间τ＝0.5ps(ps表示皮秒)。
数学上，二元RS序列的迭代规则为：S0＝H，S1＝HH，S2＝HHHL，S3＝HHHLHHLH，……，SN＝SN-1(HH→HHHL，HL→HHLH，LH→LLHL，LL→LLLH)，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)表示序列的序号，SN表示序列的第N项，HH→HHHL表示将SN-1中的HH替换成HHHL。图2分别给出了序号N＝0，1，2和3的RS光子晶体结构。在对应的RS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。
当化学势为μ＝0.4eV，光波垂直入射时，改变入射光频率，图3给出的是不同序列序号N的RS光子晶体对与石墨烯复合结构中光波的线性透射谱。纵坐标T表示光波的透射率；横坐标(ω-ω0)/ωgap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ωgap＝4ω0arcsin│(nH-nL)/(nH+nL)|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。图3(a)、(b)和(c)分别给出了N＝2，3和4的RS光子晶体对与石墨烯复合结构中的透射谱。可以看到：在归一化频率为[-0.25,0.25]区间内，N＝2对应的结构中存在1个共振峰，N＝3对应的结构中存在3个共振峰，N＝4对应的结构中存在5个共振峰；随着N的增加，共振峰的数目增加，则滤波通道数目增加；当N增大时，共振峰越来越窄，越来越陡，因此，滤波通道的频率选择增强；由于石墨烯的等效折射率受波长的影响，当频率增加时，光学损耗增加，导致透射谱中右侧的共振峰的峰值降低。
当横磁波垂直入射时，即θ＝0°，图4给出的是序号N＝3的RS光子晶体对与石墨烯复合结构的透射谱。图4(a)、(b)和(c)中石墨烯的化学势分别为μ＝0.3eV、0.4eV和0.5eV。可以看到：在归一化频率为[-0.25,0.25]区间内，都存在3个共振峰；当μ＝0.3eV时，3个共振峰的峰值约为0.5；当μ＝0.4eV时，前2个共振峰的峰值约为1，第3个共振峰的峰值约为0.5；当μ＝0.5eV时，3个共振峰的峰值都约为1。可见，若将这些共振态应用于多通道滤波器时，滤波通道的透射率受石墨烯的化学势调控。另外，滤波通道的中心波长还是石墨烯的化学势的函数。下面将选取虚线框内第二个透射峰P2，来演示其峰值和中心波长受石墨烯化学势的调控。
图5(a)中给出的是图4中透射峰P2对应的透射率Tp2随石墨烯化学势的变化情况。可以看到：当μ<0.4eV时，Tp2≈0.467；当μc≥0.4eV时，Tp2≈1；透射率Tp2在化学势μ＝0.4eV存在一个向上的跳变，这是由于石墨烯内电子从带内跃迁到带间跃迁转变所造成的。
图5(b)给出的是图4中透射峰P2对应的的中心波长λp2随石墨烯化学势的变化关系。可以看到：当μ≤0.4eV时，透射模的中心波长随石墨烯的化学势增大而增大；当μ>0.4eV时，透射模的中心波长随石墨烯的化学势增大而减小；透射模的中心波长在化学势μ＝0.4eV处最大，为λp2＝1.5623μm。
还可以通过改变光波入射角来调控各滤波通道的中心频率。当光波入射到N＝3的RS光子晶体对与石墨烯的复合结构上时，图6(a)分别给出的入射角分别为θ＝0°、30°和60°对应的透射谱。随着入射角的增大，透射谱整体上向右移动。为此，可以通过调整入射角的大小来改变滤波通道的中心频率。另外，当入射角度增大到θ＝60°时，中间区域滤波通道的数目由3个分裂成4个。
选取图6中谱线中间位置的第一个透射峰并标记为P1，如虚椭圆所示，其对应的透射率设为Tp1，对应的中心波长为λp1。
图7(a)给出的是图6中间第一个透射峰P1的透射率随入射角θ的变化关系。可以看到，随着入射角的增大，透射率逐渐地减小。当θ从0°升到到60°时，Tp1从0.9958下降到0.9303。图7(b)给出的是图6中间第一个透射峰P1对应的中心波长λp1随入射角θ的变化关系。可以看到，随着入射角的增大，透射率的中心波长逐渐地减小，即发生蓝移；当θ从＝0°升到到60°时，心波长λp1从1.7343μm减小到1.6547μm。因此，可以通过改变入射角，来调控各滤波通道的透射率和中心波长。
总之，在RS光子晶体对与石墨烯的复合结构中，存在多波长共振的光学分形态，对应着不同的透射模。相对于单一的RS光子晶体，RS光子晶体对中光学分形态的数量增加，光学分形态共振性更强，频率选择性更好。这些光学分形态可被用于多通道光子滤波，滤波通道的数目可以通过增加序列序号来扩展；各滤波通道的透射率和中心频率可以通过石墨烯的化学势和入射角来灵活地调控。
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。
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