女赫兹石墨烯表面等离激元二维光子晶体器件研究

发布时间：2021-07-12 18:08

　　石墨烯表面等离激元（SPP）具有很强的表面束缚特性,在太赫兹和中红外波段（MIR）损耗控制以及电调谐等方面同贵金属相比具有很大优势。结合二维光子晶体的周期结构,可以设计出许多新颖的渐变折射率器件和电重构器件。本文主要研究了太赫兹石墨烯SPP的传输特性,提出了一种点密度渲染（DDR）偏置结构,在此基础上设计了一系列太赫兹波段的二维（准）光子晶体器件。1)提出了一种新型的点密度渲染偏置结构。在石墨烯SPP器件的已有研究中,偏置电极结构对石墨烯SPP传输引入的误差较少被关注。本文讨论了由石墨烯偏置结构带来的偏置图样变形问题,即“软边界”效应。为此,本文提出了一种新型的点密度渲染结构,该结构使用高折射率的点在低折射率区域中的密度渐变来模拟渐变折射率,从而有效克服“软边界”效应,同时增加了设计的灵活度,降低了加工精度要求,提升了石墨烯SPP器件的性能。2)提出了一种新型的基于DDR结构的慢光波导。本文比较了不同晶格之间的慢光特性,最终选取45°晶格构建线缺陷慢光波导,并讨论石墨烯材料色散对慢光特性的影响。通过优化结构参数,在单模条件下找到了第一禁带内的最大归一化延迟带宽积（NDBP）结构。同时,... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：118 页

【学位级别】：博士

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图１．?１?（ａ）人工负折射率介质超材料，（ｂ）超材料波束扫描透镜［９］??

?（Ｌ１１）??其中ｗＰ＝?ｌＪＴｘｌＯ６＾１为金属等离子体的集体振荡频率。将金属复介电常数和介质??的复介电常数导入表面等离激元色散关系，可以求得色散关系曲线如图１．２中蓝??色曲线所示。??仍个?＾??ｉ／??ｆｆＫ??ｋ??图１．２表面等离激元的色散关系和激发条件??１．２．３表面等离激元波的激发和调控??由图１．２中可以观察到，无限大金属介质的表面等离激元模式的色散曲线完??全落在光锥的右侧，无法和自由空间的电磁波自然发生耦合和能量转换。所以为??了激发表面等离激元波，不仅要满足能量守恒，还要补偿动量的不匹配。如图??１．３所示，通常使用四种方法来激发ＳＰＰ。第一种是采用棱镜耦合，这种方式相??当于扩展了光锥的范围。在平行于金属介质交界面的倏逝波的波矢分量中包含表??面等离激元的波矢，故ＳＰＰ得以激发。人们也常用强聚焦光束打到高数值孔径??的显微镜物镜上激发ＳＰＰ，原理相同。第二种是在平面构造光栅，使得平行交界??面的波矢被光栅影响，匹配波矢以激发ＳＰＰ［３５，３６］。第三种是采用亚波长探针近??场激发。该结构理论上可以激发的模式是无限多的

石墨烯的二维结构是一种起伏的六角晶格，在紧束缚近似条件下，石墨烯电??子能带结构也是呈六角形分布，和布里渊区形状吻合，上下能带在晶格顶点成锥??形连接，如图１．４所示。在绝对零度下，未掺杂的石墨烯费米面恰好穿过狄拉克??点。??图１．４单层石墨烯能带结构示意图??石墨烯的另一大优势，体现在其可以实现较大范围内的光吸收与光调控??［４９－５５］，这是贵金属难以比拟的。如图１．５所示，在太赫兹和中红外波段，石墨??烯的带内跃迁占主导地位，等离子体的集体振荡让石墨烯拥有极佳的表面等离激??元材料特性；在中红外以上的频段（６ｐｍ左右），石墨烯的表面电导率会下降，??导致吸收率降低；进入可见光波段，石墨烯带间跃迁带来的电导率也稳定下来，??石墨烯的光吸收率也基本稳定在２．３％左右［５６］。??１３??


本文编号：3280400