基于石墨烯的光子学器件的研究

发布时间：2017-08-28 12:37

  本文关键词：基于石墨烯的光子学器件的研究

  更多相关文章： 石墨烯 特异介质 吸波器件 太赫兹 双曲性 磁光 偏振 慢波

【摘要】：石墨烯具有相当奇特的各种性质,而基于石墨烯的微纳光子学的研究正引起人们广泛的关注,相关的研究进展涉及了许多的应用,包括基于石墨烯的光学调制器、变换光学、场效应管以及其他器件。石墨烯除了作为世界上最薄的材料之外,更有物理柔性、极高的电子迁移率以及通过外加电压或者化学参杂的方法控制其载流子浓度的特性。在本论文中,我们研究了基于石墨烯的一些光子学器件,其中包括太赫兹的宽带吸波器、圆偏振的分光器以及磁光克尔效应增强器件等三方面的研究。首先,我们提出了一种在金属基底上基于石墨烯/介质层堆栈而成的类金字塔结构的阵列太赫兹吸波材料。这里多层的石墨烯/介质层的堆栈结构在太赫兹波长下不仅可以是认为在各方向上是均匀的,而且材料本身更具有双曲特性,因此其等效介电常数是各向异性的。石墨烯的表面等离子被激发,同时入射电磁波的不同波长分量会被局域在类金字塔结构的不同宽度处,进而被损耗介质吸收,而这种宽带吸波的效果可以被渐变宽度波导的慢波效应所解释。最后,我们指出了由于周期性模式的存在而造成的吸收谱在某一频率的下降。因此可以通过结构的优化设计,来抑制周期模式的激发,从而实现超宽带的吸波效果。第二,我们同样设计了一种石墨烯/介质层堆栈结构的材料,可以同时利用整体材料的零介电常数以及石墨烯较高的霍尔电导率的特点。这种亚波长周期结构的器件能够对不同的圆偏振光进行有效的控制。在较宽的频率以及较大的入射角范围内,这种基于磁光效应的器件能表现出对不同圆偏振光的选择性透过。而这种效果可以进一步通过改变外加磁场强度以及石墨烯的化学势进行调控。第三,我们研究了利用石墨烯带的表面等离子体以及法布里-帕罗干涉来增强器件的磁光克尔旋转的效应。当6 THz的电磁波入射到外加4T磁场强度的覆盖有单层的石墨烯带的器件上时,产生的磁光克尔旋转角可以达到15度。而这种磁光克尔效应的增强可以在很大的入射角度范围内实现。最后,总结了全文,同时对未来基于石墨烯的光子学器件的研究提出了展望。
【关键词】：石墨烯 特异介质 吸波器件 太赫兹 双曲性 磁光 偏振 慢波
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN25
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-30
• 1.1 石墨烯研究的历史和基础11-18
• 1.1.1 从争议的理论模型到诺贝尔物理学奖11-13
• 1.1.2 石墨烯的能带结构13-15
• 1.1.3 石墨烯的一些基本物理性质15-18
• 1.2 石墨烯的实验制备和探测18-23
• 1.2.1 石墨烯的制备方法18-21
• 1.2.2 石墨烯的结构表征技术21-23
• 1.3 石墨烯在光子学器件中的应用23-28
• 1.3.1 光电探测器23-25
• 1.3.2 光调制器25-26
• 1.3.3 光偏振控制器26-28
• 1.4 本论文的研究内容和创新点28-30
• 第2章 基于石墨烯的光学可调材料30-46
• 2.1 石墨烯的光学电导率30-34
• 2.2 石墨烯表面等离子体的理论模型34-41
• 2.2.1 传统IMI波导的表面等离子体色散特性34-38
• 2.2.2 石墨烯表面等离子体的色散特性38-41
• 2.3 基于石墨烯可调的双曲超材料41-44
• 2.4 本章小结44-46
• 第3章 基于石墨烯的宽带吸波46-66
• 3.1 宽带吸波器件的设计47-53
• 3.1.1 结构模型与材料参数47-50
• 3.1.2 宽带吸波的效果50-52
• 3.1.3 等效介质模型52-53
• 3.2 宽带吸波的慢波理论53-59
• 3.2.1 模拟结果的场分布53-55
• 3.2.2 慢波模式的理论分析55-59
• 3.3 介质层厚度对吸收的影响59-61
• 3.4 吸波模型的改进61-65
• 3.4.1 存在的周期模式61-64
• 3.4.2 消除周期模式的影响64
• 3.4.3 模型在波段上的可扩展性64-65
• 3.5 本章小结65-66
• 第4章 基于石墨烯的圆偏振分光器件66-87
• 4.1 介电常数接近零的磁性超材料67-71
• 4.1.1 物理模型67-69
• 4.1.2 基于石墨烯ENZ材料的参数研究69-71
• 4.2 器件对不同圆偏振的调控71-78
• 4.2.1 理论基础71-75
• 4.2.2 垂直入射的情况分析75-76
• 4.2.3 器件对不同圆偏振光的选择性透过76-78
• 4.3 设计的圆偏振分光器件的性能研究78-85
• 4.3.1 不同磁场强度下的分光效果78-81
• 4.3.2 工作带宽81-82
• 4.3.3 石墨烯化学势的影响82-83
• 4.3.4 斜入射的情况83-85
• 4.4 本章小结85-87
• 第5章 基于石墨烯带等离子体以及F-P腔的磁光克尔效应增强87-108
• 5.1 理论基础87-100
• 5.2 器件模型及分析100-103
• 5.3 基于F-P增强的磁致旋光103-106
• 5.4 本章小结106-108
• 第6章 总结和展望108-111
• 参考文献111-123
• 作者简历123

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