用于中红外波深度亚波长传输的石墨烯间隙等离激元波导
发布时间：2020-12-21 01:44
提出一种由石墨烯包裹的纳米线和石墨烯层构成的石墨烯间隙波导结构,并采用有限元方法对基模传输特性及其与结构参数、材料参数等的关系进行了详细研究。结果表明:纳米线半径、间隙距离、纳米线介电常数和石墨烯化学势均对模式传输特性有很大影响。通过优化参数,这种结构可以同时实现石墨烯等离激元的长距离传输和模场的深度亚波长约束。采用石墨烯等离激元实现中红外波的深亚波长传输为突破衍射极限光子器件的设计及高密度集成提供了理论基础和指导。
【文章来源】：光学学报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
波导结构示意图
图2所示为基模能量分布。计算参数如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps,R=30nm，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,D=20nm,f0=20THz(f0为入射光频率）。如图2(a）所示，该结构基模能量主要集中在间隙区域内。同时，也给出了石墨烯等离激元模式传播方向的坡印廷矢量大小|Sz|沿y轴的分布，如图2(b）所示。可以清晰看到模式能量在纳米线下表面达到峰值，而大尖峰和较小尖峰的不对称性恰好体现了这类间隙等离激元结构对光场能量极强的约束特性。此外，采用品质因数FM[42]来描述传播距离和归一化模式场面积之间的关系，并定义FM=Re(neff）/Im(neff）。
图3(a）给出了石墨烯等离激元等效模式系数实部Re(neff）以及传播距离LP和频率之间的关系。当频率f0由20THz增大到40THz时，Re(neff）逐渐从35.336增大到51.653。等效模式系数虚部随频率的增大也是逐渐增大。由于LP与Im(neff）成反比，仅给出了LP和f0之间的关系。随着f0不断增大，石墨烯的吸收也增大，导致模式传输损耗增大，体现在模式传输距离的逐渐减小。图3(b）给出了石墨烯等离激元模式归一化模式场面积和品质因数FM与频率的关系。归一化模式场面积Aeff/A0随f0先增大并在高频部分减小，但仍在同一量级。当f0=20THz时，传输距离大约为6.20μm，同时归一化模式场面积仅为4.2×10-5。进一步，研究了结构参数对GPM传输特性的影响。参数设置如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,f0=30THz。如图4(a）所示，当D=20nm，纳米线的半径从30nm变化到100nm时，Re(neff）从42.747增加到46.258。增加R意味着石墨烯层的表面积会增加，导致模式场进入石墨烯层内部的比例增加，故模式传输损耗增加而传输距离减小。从图4(b）中可以得到归一化模式场面积增大了不到1倍。在R变化范围内，FM取值范围为120～126。因此，为了同时获得相对较长的传输距离和较强的模式约束特性，最好选择较小的半径。但实际上，为了方便实际加工制造，纳米线半径不宜过小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]涂覆石墨烯的三根电介质纳米线波导的模式特性[J]. 卫壮志,薛文瑞,彭艳玲,程鑫,李昌勇. 光学学报. 2019(01)
[2]太赫兹波段石墨烯频率可调贴片天线[J]. 原媛,谢亚楠,李鑫. 光学学报. 2018(02)
[3]石墨烯TE模表面等离子体波和表面等离子体波导的特性[J]. 万鹏,杨翠红. 光学学报. 2017(11)
[4]金属-介质-金属波导布拉格光栅的模式特性[J]. 陈奕霖,许吉,时楠楠,张雨,王云帆,高旭,陆云清. 光学学报. 2017(11)
[5]双介质加载石墨烯表面等离子激元波导的理论分析[J]. 李勇,张惠芳,范天馨,何英,王燕,白丽华. 光学学报. 2016(07)
[6]涂覆石墨烯的电介质纳米并行线的传输特性[J]. 翟利,薛文瑞,杨荣草,韩丽萍. 光学学报. 2015(11)
本文编号：2928949
【文章来源】：光学学报. 2020年06期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
波导结构示意图
图2所示为基模能量分布。计算参数如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps,R=30nm，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,D=20nm,f0=20THz(f0为入射光频率）。如图2(a）所示，该结构基模能量主要集中在间隙区域内。同时，也给出了石墨烯等离激元模式传播方向的坡印廷矢量大小|Sz|沿y轴的分布，如图2(b）所示。可以清晰看到模式能量在纳米线下表面达到峰值，而大尖峰和较小尖峰的不对称性恰好体现了这类间隙等离激元结构对光场能量极强的约束特性。此外，采用品质因数FM[42]来描述传播距离和归一化模式场面积之间的关系，并定义FM=Re(neff）/Im(neff）。
图3(a）给出了石墨烯等离激元等效模式系数实部Re(neff）以及传播距离LP和频率之间的关系。当频率f0由20THz增大到40THz时，Re(neff）逐渐从35.336增大到51.653。等效模式系数虚部随频率的增大也是逐渐增大。由于LP与Im(neff）成反比，仅给出了LP和f0之间的关系。随着f0不断增大，石墨烯的吸收也增大，导致模式传输损耗增大，体现在模式传输距离的逐渐减小。图3(b）给出了石墨烯等离激元模式归一化模式场面积和品质因数FM与频率的关系。归一化模式场面积Aeff/A0随f0先增大并在高频部分减小，但仍在同一量级。当f0=20THz时，传输距离大约为6.20μm，同时归一化模式场面积仅为4.2×10-5。进一步，研究了结构参数对GPM传输特性的影响。参数设置如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,f0=30THz。如图4(a）所示，当D=20nm，纳米线的半径从30nm变化到100nm时，Re(neff）从42.747增加到46.258。增加R意味着石墨烯层的表面积会增加，导致模式场进入石墨烯层内部的比例增加，故模式传输损耗增加而传输距离减小。从图4(b）中可以得到归一化模式场面积增大了不到1倍。在R变化范围内，FM取值范围为120～126。因此，为了同时获得相对较长的传输距离和较强的模式约束特性，最好选择较小的半径。但实际上，为了方便实际加工制造，纳米线半径不宜过小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]涂覆石墨烯的三根电介质纳米线波导的模式特性[J]. 卫壮志,薛文瑞,彭艳玲,程鑫,李昌勇. 光学学报. 2019(01)
[2]太赫兹波段石墨烯频率可调贴片天线[J]. 原媛,谢亚楠,李鑫. 光学学报. 2018(02)
[3]石墨烯TE模表面等离子体波和表面等离子体波导的特性[J]. 万鹏,杨翠红. 光学学报. 2017(11)
[4]金属-介质-金属波导布拉格光栅的模式特性[J]. 陈奕霖,许吉,时楠楠,张雨,王云帆,高旭,陆云清. 光学学报. 2017(11)
[5]双介质加载石墨烯表面等离子激元波导的理论分析[J]. 李勇,张惠芳,范天馨,何英,王燕,白丽华. 光学学报. 2016(07)
[6]涂覆石墨烯的电介质纳米并行线的传输特性[J]. 翟利,薛文瑞,杨荣草,韩丽萍. 光学学报. 2015(11)
本文编号：2928949
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