石墨烯阵列驱动布拉格光栅中动态可调光子操控与传感研究

研究人员针对传统光子器件动态调控能力不足的问题，开发了基于石墨烯阵列的分布式反馈布拉格光栅结构（DFBG-GA）。通过调控石墨烯化学势（μ）、光栅周期（N）和腔体厚度（d2），实现了10,430 nm/RIU的超高折射率灵敏度，化学势调谐效率达9.5904 μm/eV。该结构为生物传感和环境监测提供了新型动态可调平台。

　　

在光子器件领域，如何实现光学特性的动态调控一直是重大挑战。传统硅基光栅的波长调谐效率（Δλ/ΔV≈0.01-0.1 nm/eV）和单层石墨烯等离子体器件（Δλ/Δμ≈1-3 μm/eV）存在明显局限。更棘手的是，生物分子检测和环境污染物监测亟需兼具高灵敏度（>10⁴ nm/RIU）和实时响应能力的光学传感器。

湖北大学科学与技术学院的研究团队在《iScience》发表的研究中，创新性地提出分布式反馈布拉格光栅-石墨烯阵列（DFBG-GA）复合结构。该结构采用A(GC)_NGBG(CG)_NA的对称设计，其中A/B/C均为SiO₂介质层，G为单层石墨烯。通过Kubo公式计算石墨烯表面电导率，结合正向传输矩阵法（FTMM）模拟发现：当化学势从0.3 eV增至0.5 eV时，共振峰蓝移且半高宽从2.86 μm缩窄至0.55 μm，展现出9.5904 μm/eV的超高调谐效率。实验证实该结构对介质折射率变化具有10,430 nm/RIU的灵敏度，线性相关系数R²>0.98。

研究主要采用以下关键技术：1）基于PECVD（等离子体增强化学气相沉积）的介质层精确制备；2）石墨烯转移技术构建周期性阵列；3）FTMM方法计算传输/反射谱；4）Kubo公式建模石墨烯电导率随化学势（μ）的动态变化。

传输特性调控

当N=20时，μ从0.3 eV增至0.5 eV导致共振波长λ₁-λ₃蓝移，同时反射谱在共振波长处出现零反射谷（图2）。电场分布模拟显示光场能量集中分布于腔体B中心（图8），证实双布拉格光栅的协同共振效应。

光栅周期影响
N从20增至40时，共振峰强度降低至0.2，但波长选择性提升（图3A）。这是由于更多周期增强了光场局域化，但同时增大了石墨烯引起的能量损耗。

腔体厚度调控
d₂从4 μm增至10 μm时，出现双共振峰（λ=18.43 μm和38.7 μm）（图5）。通过μ和d₂的协同调控，可实现多通道光学操纵（图5E）。

折射率传感性能
介质A折射率每增加0.02，共振峰红移0.2 μm（图7A）。线性拟合λ_p1=10.4298n_a+4.3112显示超高灵敏度（10,430 nm/RIU），优于同类硅基传感器（986 nm/RIU）和石墨烯-金属结构（5,367 nm/RIU）（表1）。

该研究的重要意义在于：1）首次利用石墨烯阵列构建布拉格反射腔，突破传统调谐效率极限；2）通过μ和几何参数多维调控，实现从单通道到多通道的灵活切换；3）为HCl（18.7 μm）、H₂O（17-25 μm）等环境污染物监测提供新方案。正如作者指出，未来需解决大面积均匀制备和实际样品检测等挑战，但这项研究无疑为动态光子器件设计开辟了新范式。