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　　1.一种对缺陷模反射率增强的光子晶体，其特征在于，本光子晶体包括第一电介质层(A)、第二电介质层(B)、缺陷层(C)和石墨烯层(G)，所述缺陷层(C)位于电子晶体的中部；所述第一电介质层(A)和第二电介质层(B)的分布规律为：所述缺陷层(C)的两侧交替排列有若干第一电介质层(A)和若干第二电介质层(B)，且光子晶体的两外侧面均为第一电介质层(A)，贴近缺陷层(C)的两侧均为第二电介质层(B)；所述石墨烯层(G)嵌入在缺陷层(C)内。

　　2.根据权利要求1所述一种对缺陷模反射率增强的光子晶体，其特征在于，第一电介质层(A)、第二电介质层(B)和缺陷层(C)的折射率分别为na＝1.38、nb＝2.35和nc＝2.35，第一电介质层(A)、第二电介质层(B)和缺陷层(C)的厚度分别为da＝0.281μm、db＝0.165μm和dc＝0.33μm。

　　说明书

　　一种对缺陷模反射率增强的光子晶体

　　技术领域

　　本实用新型属于光电学技术领域，涉及一种对缺陷模反射率增强的光子晶体。

　　背景技术

　　光子晶体中的能带存在带隙。当光照射到光子晶体上时，如果光的频率位于带隙内的，则将没有光透过光子晶体，光束将会发生全反射。但是，如果在光子晶体中加入缺陷层，则能带的带隙中存在一个缺陷模。当入射光的频率等于缺陷模的频率，光束将无反射地全部通过光子晶体，此时的反射率为零，因此也将缺陷模叫作透射模。缺陷模的能量主要分布在缺陷层中，缺陷层的中心点处的能量分布最强。从缺陷层中心向光子晶体两边延伸，缺陷模的能量分布呈指数衰减。

　　反射光束的横向位移可广泛应用于高灵敏度传感器和光开关等。但是，通常情况下，反射光束的横向位移较小，一般就几个波长或几十个波长，因此对实验上检测光束的横向位移和实际应用带来很大的困难。人们通过多种方法来增强反射光束的横向位移，比如利用光子晶体的带隙边缘、弱损耗材料和石墨烯等来实现较大的横向位移。

　　反射光束的横向位移正比于反射系数相位对波矢的导数，由于缺陷模的反射率为零，缺陷模的反射系数相位存在不确定性，因此缺陷模的反射光束可能存在较大的横向位移。但是，对于无增益和损耗的光子晶体，缺陷模的反射率为零，即便此时存在较大的横向位移，但实际上也是无意义的。

　　实用新型内容

　　本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种高反射率的光子晶体，本实用新型所要解决的技术问题是如何通过将石墨烯掺杂到光子晶体的缺陷层中，从而提高反射率。

　　本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种高反射率的光子晶体，其特征在于，本光子晶体包括第一电介质层、第二电介质层、缺陷层和石墨烯层，所述缺陷层位于电子晶体的中部；所述第一电介质层和第二电介质层的分布规律为：所述缺陷层的两侧交替排列有若干第一电介质层和若干第二电介质层，且光子晶体的两外侧面均为第一电介质层，贴近缺陷层的两侧均为第二电介质层；所述石墨烯层嵌入在缺陷层内。

　　电介质层一和电介质层二可以为本领域常见电介质，如氟化镁、硫化锌等。

　　我们将石墨烯掺杂到光子晶体的缺陷层中，利用石墨烯的弱损耗，减弱光子晶体对缺陷模的透射率，从而提高光束的反射率。同时，石墨烯的弱损耗也会引起反射系数相位的急剧变化。根据反射光束横向位移正比于反射系数相位变化率，当光的入射频率位于缺陷模附近时，可以得到反射光束较大的横向位移。

　　第一电介质层、第二电介质层和缺陷层的折射率分别为na＝1.38、nb＝2.35和nc＝2.35，第一电介质层、第二电介质层和缺陷层的厚度分别为da＝0.281μm、db＝0.165μm和dc＝0.33μm。将入射光线记为1，反射光线记为2，透射光线记为3。将反射光线相对于入射点的横向位移记为Δ。

　　将单层石墨烯掺杂在缺陷层的中间，即位于光子晶体的z轴0点位置。单层石墨烯是不计厚度的二维材料，其的表面电导率可以用九堡公式(Kuboformula)来描述，如下：

　　其中，fd＝1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])为费米-狄拉克统计，ε是粒子能量，μc是石墨烯化学势(也叫作费米能级EF))，T是温度，e是电子元电荷，τ是动量弛豫时间，kB是玻尔兹曼常数。

　　把石墨烯层看成具有一定厚度的等效电介质，当等效厚度低于1nm时，这种等效方法对计算反射率和透射率的影响是可以忽略的。我们取石墨烯层的厚度为0.34nm。石墨烯的等效介电常数为εg＝1+iσgη0/(kdg)，其中k是入射波矢，η0是真空阻抗。温度取T＝27℃，动量弛豫时间τ＝0.5ps，μc＝0.15eV。

　　整个结构是(AB)NCGC(BA)N(假定第一电介质层为A，第二电介质层为B，缺陷层为C，石墨烯层为G)，其中布拉格周期数N＝5。

　　设入射光为TM波，沿z轴传播。每一层电介质两端的电磁场可以通过传输矩阵联系起来。例如，第l层电介质两端的电磁场可以通过如下关系联系起来

　　其中，Ml叫第l层的传输矩阵，其中ηl＝εl(ε0/μ0)1/2/(εl-sin2θ)1/2，θ为光的入射角，这里设为θ＝20°。整个系统的传输矩阵为

　　其中n是结构的总层数。反射系数为

　　其中η1＝ηN+1＝(ε0/μ0)1/2(1-sin2θ)1/2，分别为入射端和出射端的阻抗，反射率为R＝rr*。光子晶体的带隙为ωgap＝4ω0arcsin│(nb-na)/(nb+na)│2/π，其中ω0＝2πc/λ0，λ0＝1.55μm。

　　如果未掺杂石墨烯层，可以看到，反射率是入射光频率的函数。反射谱中间存在一个带隙，位于此带隙内的光将会被全部反射。但是，*号位置缺陷模的反射率为零，缺陷模的光将会被全部透射，因此也叫透射模。

　　根据反射光束的横向位移与反射系数相位的关系

　　可以知道，在缺陷模附近的反射光束的横向位移较大。但是这时的反射率较小，因此我们将石墨烯掺杂到缺陷层中，得到较大的反射率。

　　掺杂石墨烯层后，*号位置缺陷模的反射率不为零，R＝0.212。缺陷模处的相位没有跳变，但是变化比较剧烈。因此，可以得到反射率不为零，且又有较大横向位移的反射光束。

　　当入射光频率位于缺陷模处时，反射光束的横向位移最大，其最大值为Δ＝124λ。

　　本实用新型的优点：在缺陷光子晶体中掺杂石墨烯，可以大大提高缺陷模的反射率，在本案例中，缺陷模的最大反射率可达到R＝0.212；可以使反射光束的横向位移最大值达到124λ，比一般结构中的横向位移提高了一个量级。