石墨烯表面等离子体光波导的传输特性研究

发布时间：2020-08-16 19:06

【摘要】：表面等离子体激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是在金属和电介质交界面上激发的一种集体电荷振荡形式,是光波与金属表面自由电子相互耦合产生的一种电磁波,能够突破衍射极限的限制,将电磁波束缚在亚波长尺寸。近年来,利用SPPs进行光信号的传输和调控成为了人们的研究热点。但是贵金属一般具有较大的传输损耗以及热损耗,并且器件一旦加工成型后,其几何尺寸就无法改变,因此其应用前景受到了限制。最近,人们发现石墨烯(graphene)同样可以支持SPPs的传输和调控。与一般的贵金属材料相比,石墨烯具有十分明显的优势,首先,石墨烯等离子体激元(Graphene surface plasmons,GSPs)可存在于中红外波段,频带范围宽;其次,GSPs具有很强的模式束缚力以及极小的传播损耗;第三,石墨烯的介电常数可通过化学掺杂和偏置电压来改变。近年来,人们在GSPs的传输与调控方面取得了诸多成果,在实验和理论方面都取得了重大突破。本文在这些研究成果的基础上,采用数值模拟的方式,设计研究了几种基于GSPs的波导器件。论文主要研究内容如下:(1)设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积、以及品质因数等模式特性的影响。结果表明,这种新型的混合GSPs光波导具有很强的模式束缚能力和较低的传输损耗,且归一化模式面积非常小,可以实现极高密度的光子学器件集成。(2)为了获取结构更加紧凑且电磁场模式性能更加优异的光波导器件,本文又设计了一种由涂覆石墨烯的领结型纳米线组成的新式表面等离子体光波导结构。仿真结果表明,本文设计的新式波导结构能够在可接受的传播长度范围内,使得归一化模式面积最小达到10~(-7)数量级。并且,通过改变石墨烯或者周围介质的几何参数和电磁参数,可以对模式传输特性进行有效的调控。最后,文章讨论了该波导在实际应用中由于制作误差对模式特性带来的影响。此外,还设计了一种涂覆石墨烯的圆形介质纳米线与未涂覆石墨烯的三角形介质纳米线组成的混合表面等离子体光波导结构。数值模拟结果显示当入射波长在中红外波段时,电磁场可以被束缚在深度亚波长的区域,并且还有较低的传播损耗。另外,也可以通过改变这种波导结构的几何参数和电磁参数,对波导的传播特性进行动态调控。(3)在对涂覆石墨烯的介质纳米线表面等离子体光波导传输特性的理解基础上,本文又设计了一种基于石墨烯、且具有类等离子体诱导透明(Plasmon induced trans-parency,PIT)传输特性的光波导结构。该光波导由石墨烯直波导和与其临近的石墨烯纳米条和石墨烯纳米环两个谐振腔侧耦合而构成。研究表明,通过改变石墨烯纳米条型谐振腔的长度和石墨烯纳米环谐振腔的半径、与直波导之间的侧耦合距离以及石墨烯化学势均可以调节透明窗口的位置。同时,该波导系统还可以实现灵敏度较高的折射率传感的功能特性。该波导结构为氋度集成的基于石墨烯的纳米光学器件的设计提供了一种新的方法,在调制器、光开关、传感器等领域有着广泛的应用。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN252
【图文】：

富勒烯,碳纳米管,石墨,表面等离子体激元

图 1.1 富勒烯、碳纳米管、石墨三种不同结构的形成过程。纳米带宽度减小到 100 纳米以下时，能够实现 10-7数量超大的模式有效折射率。2012 年 Johan Christensen 等人[带平行放置或者上下放置时的表面等离子体激元的传输特

结构图,探测器,石墨,波导

、等离子体滤波器[34,35]等。例如，图1.2是文献[27，29]设计的两种光电探测器结构；图1.3是文献[30，31]设计两种吸收器结构；图1.4是文献[32，33] 设计的两种纳米传感器结构；图1.5是文献[34，35]设计的两种等离子体激元滤波器结构。图 1.2 基于石墨烯的(a)波导集成光探测器结构图[27]，(b)介质混合波导探测器结构图[29]。

结构图,文献,材料吸收,纳米传感器

35]等。例如，图1.2是文献[27，29]设计的两种光电探测器结构；图1.3是文献[30，31]设计两种吸收器结构；图1.4是文献[32，33] 设计的两种纳米传感器结构；图1.5是文献[34，35]设计的两种等离子体激元滤波器结构。图 1.2 基于石墨烯的(a)波导集成光探测器结构图[27]，(b)介质混合波导探测器结构图[29]。

【参考文献】