石墨烯SPPs波導(dǎo)耦合器件的設(shè)計(jì)和研究.pdf

1、表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)波是一種在導(dǎo)體或半導(dǎo)體表面光子與自由電子相互作用而形成并傳播的一種表面倏逝波。它能夠突破傳統(tǒng)衍射極限，為實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)集成光器件和全光回路提供了可能。最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨烯也能夠支持SPPs波。石墨烯支持的SPPs波擁有眾多優(yōu)異性質(zhì)比如低損耗、強(qiáng)局域性和很長(zhǎng)的等離子體壽命等。相比于傳統(tǒng)貴金屬，石墨烯最吸引人的一點(diǎn)就是其SPPs波的輸運(yùn)性質(zhì)可通過(guò)多種方式比如：化學(xué)

2、摻雜、添加電場(chǎng)、磁場(chǎng)或門電壓等來(lái)進(jìn)行調(diào)控。這種特性為實(shí)現(xiàn)各種新奇的微納光學(xué)器件提供了可能。對(duì)于石墨烯SPPs的傳輸與調(diào)控，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)上和理論上都取得了諸多成果。這些研究成果為我們?cè)O(shè)計(jì)并研究基于石墨烯SPPs的波導(dǎo)耦合器件打下了基礎(chǔ)。
　　本文采用數(shù)值模擬的方式，設(shè)計(jì)了三種基于石墨烯SPPs的波導(dǎo)耦合器件：石墨烯圓形諧振腔、石墨烯太赫茲方向耦合器和石墨烯條帶布拉格反射器。通過(guò)采用有限元(Finite element method，F(xiàn)

3、EM)方法和時(shí)域有限差分(Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)方法，我們分析了這些波導(dǎo)器件的光學(xué)特性和應(yīng)用潛力。本論文主要研究結(jié)果如下：
　　(1)利用SPPs波可在彎曲石墨烯上傳播的特性，設(shè)計(jì)了一種石墨烯圓形諧振腔，它是由一片單層石墨烯卷成的圓環(huán)和一個(gè)單層石墨烯波導(dǎo)構(gòu)成。通過(guò)FEM計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯入射波導(dǎo)與諧振腔耦合能量適中時(shí)，能同時(shí)獲得較高的品質(zhì)因子和消光比，當(dāng)石墨烯諧振腔費(fèi)米能為0.6eV

4、時(shí)，諧振點(diǎn)品質(zhì)因子和消光比可分別達(dá)到111.6和14.96dB；石墨烯費(fèi)米能很小的變化能引起諧振模式移動(dòng)較大的頻譜范圍，石墨烯費(fèi)米能為0.4eV時(shí)，增加0.1eV能夠使二階諧振的諧振波長(zhǎng)藍(lán)移0.81μm。該諧振腔在中紅外波段有很好的光調(diào)制性能，當(dāng)諧振腔費(fèi)米能從0.5eV增加到0.6eV時(shí)，可在波長(zhǎng)為6.65微米處達(dá)到15.01dB的調(diào)制深度。這種諧振腔在光濾波、光調(diào)制、光開關(guān)和光波方向調(diào)控等方面表現(xiàn)出較高應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)利用

5、石墨烯對(duì)太赫茲光波的強(qiáng)局域性，設(shè)計(jì)了一種石墨烯太赫茲方向耦合器。這種耦合器由帶狹縫的金屬薄層、介質(zhì)光柵、單層石墨烯和介質(zhì)襯底構(gòu)成。通過(guò)FDTD計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，在7.5THz處，當(dāng)石墨烯費(fèi)米能為0.6eV時(shí)，SPPs波全部耦合到右端出口，而當(dāng)石墨烯費(fèi)米能降低到0.3eV時(shí)，SPPs波全部耦合到左端出口。石墨烯的費(fèi)米能可通過(guò)調(diào)節(jié)門電壓的方式進(jìn)行控制，表明太赫茲SPPs波在該耦合器的傳播方向可進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。
　　(3)利用石墨烯條帶邊模式