光子晶体结构石墨烯光电器件设计

发布时间：2020-11-01 11:30

　　 作为一种人工周期结构材料的光子晶体,近年来在多种光电器件中得到有效应用;具有独特光电特性且只有单原子厚度的二维材料石墨烯,正成为当前众多学科的研究热点。将光子晶体与石墨烯复合应用,所设计的光电器件将同时具有二者的优良属性,如智能的光电调控、波段甚窄或甚宽的光电响应等。本文研究设计了光子晶体结构的吸波、光电调控、滤波等多种太赫兹石墨烯器件,仿真分析了器件的光电响应特性和性能。主要研究内容如下:1.基于修正的传输矩阵法对一维石墨烯光子晶体进行了仿真研究,在分析了石墨烯化学势、电磁波入射角度以及介质板调节因子对系统传输率和吸收率的影响基础上,采用异质结构和合成超单元的方法,研究设计了可调谐滤波器、多频开关、高Q滤波器以及多阻滤波器。并进一步构造了一维Fibonacci序列石墨烯准光子晶体,设计了采用异质结构的高Q滤波器、改变周期结构的可调谐光电开关、采用超单元结构的多阻滤波器和利用活性材料的放大器。2.对在Fabry-Perot(FP)谐振腔的顶部镜子中嵌入单层石墨烯实现近1吸收进行了研究。揭示了增加谐振腔数目可有效增加吸收模式数目并同时灵活可控模式间峰-峰距的现象与规律。设计了利用含有两个石墨烯单层的FP谐振腔后串联多个空腔的的石墨烯多模吸波体。这种吸波体可以实现多种工作模式,当只有石墨烯腔时,可以激发两个近1吸收模式;当其后串联一个空腔时,可以激发三个近1吸收模式;而当串联两个空腔时,可以激发四个近1吸收模式。论文进一步研究了不同吸收模式对石墨烯层、石墨烯化学势、谐振腔几何尺寸、反射镜周期数、入射波极化方式以及入射角度等响应关系和规律。3.用石墨烯介质堆栈代替了石墨烯单层,研究提高石墨烯调控亚波长光栅Fano共振的能力。揭示了石墨烯电导率的改变对堆栈等效介电常数的影响规律,从而建立了有效提高石墨烯调谐性能的方法。调节非对称的传输谱,实现了光开关功能。利用Fano共振引起的近场局域设计了可调谐吸波体,以及通过联合调节石墨烯化学势和入射波角度设计了衰减器/调制器。4.对FP-Fano共振混合腔石墨烯吸波体进行了研究。揭示了腔外石墨烯结构的优势在于:腔内赋型对石墨烯没有任何影响,而保持其原有的物理属性。建立了FP谐振和Fano共振共存的设计方法。光栅厚度控制吸收模式数目;光栅周期制约FP谐振和Fano共振间的耦合;石墨烯两端多层介质周期数全面影响系统吸收响应。5.将临界耦合理论应用于石墨烯完美吸波体设计中。首先,通过构造石墨烯光子晶体阵列实现了FP谐振和Fano共振的双激励,设计了双模吸波体。揭示了完美吸收的本质在于临界耦合。研究了石墨烯化学势、等效光栅厚度以及入射光角度对模式耦合的影响。其次,通过石墨烯腔和空腔的串联实现了FP-FP谐振或FP-Fano共振的激励,设计了双模吸波体。进一步强调了完美吸收的本质,提出了模式耦合的方法。利用微扰理论解释了石墨烯对不同腔模独立调控的原因。通过本文的研究,充分展示出石墨烯—光子晶体复合结构的优势。提出的方法在更高的光波段同样适用,为高性能光通信器件的设计提供了全新的思路。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TN36
【部分图文】：

化 C 原子形成的六边形网格结构拓展的特征常数，比如：电子迁移率高达1/300、热导率为 5300Wm-1K-1、透明量为 1.0TPa 和断裂强度为 125GPa 等直成为研究的热点，涌现出大量的石波导[4]、场效应管[5]、生物传感器[6]、可见，人们正在尝试将石墨烯这种神。能带结构得到单层石墨烯的能带结构[10, 11]。形式与其临近的三个碳原子连接在轨道上的电子形成的。第四个共价键子的 2pz轨道发生重叠而产生离域的1.42 埃的原子，而石墨烯的晶格由两示[13]。

图 1.2 石墨烯能带结构近将式（1.1）展开，求得能量和动量之间的线( )FE k k K )；6 11 10 sF 。烯的光学性质动量间的线性关系，当电子在石墨烯中传输时这种能带关系也使石墨烯具有量子霍尔效应和方面，石墨烯与光的相互作用主要有两种方式换。而哪种方式占主导，取决于光子能量。在带内转换占主导。而在红外和可见光范围内，和太赫兹波段，石墨烯电子具有类似于金属中子激元波。掺杂且版图化的石墨烯能够支持等波能力[18]。在近红外和可见光范围内，光吸收由精细结构常数决定[19]。这两种转换机制[20]。带间转换涉及导带和价带

（a） （b）图 1.3 石墨烯吸收机制 （a）带外转换；（b）带内转换当入射光较弱时，石墨烯内电子极化强度与外加电场呈线性关系；当入射光强时，石墨烯则呈现出显著的非线性特性，电子极化强度与外加场有非线性关。石墨烯的光学非线性基本上取决于其三阶非线性系数，该系数依赖于单位体内极化强度与外加电场三次方的比值[21]。基于石墨烯的非线性效应，观察到了多有价值的现象，如：饱和吸收[22]、四波混频[23]、双光子吸收[24]、反饱和吸收]、光限幅[26]等。1.1.3 石墨烯的制备由于石墨烯的良好特性和巨大的应用潜力，国内外相关学者都在聚焦如何高量、高效率地制备石墨烯材料。目前，基本的制备方法包括：外延生长法、化气相淀积法、微机械剥离法、液相剥离法和氧化还原法[27]。1） 外延生长法该方法通过加热单晶 SiC，在超高真空或常压下脱去 Si 而留下 C，这样可得面积与原 SiC 薄片相当的石墨烯层。
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本文编号：2865471