石墨烯SPPs波導耦合器件的設計和研究.pdf

1、表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)波是一種在導體或半導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，為實現(xiàn)亞波長集成光器件和全光回路提供了可能。最近，科學家們發(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)異性質比如低損耗、強局域性和很長的等離子體壽命等。相比于傳統(tǒng)貴金屬，石墨烯最吸引人的一點就是其SPPs波的輸運性質可通過多種方式比如：化學

2、摻雜、添加電場、磁場或門電壓等來進行調(diào)控。這種特性為實現(xiàn)各種新奇的微納光學器件提供了可能。對于石墨烯SPPs的傳輸與調(diào)控，人們在實驗上和理論上都取得了諸多成果。這些研究成果為我們設計并研究基于石墨烯SPPs的波導耦合器件打下了基礎。
　　本文采用數(shù)值模擬的方式，設計了三種基于石墨烯SPPs的波導耦合器件：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。通過采用有限元(Finite element method，F(xiàn)

3、EM)方法和時域有限差分(Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)方法，我們分析了這些波導器件的光學特性和應用潛力。本論文主要研究結果如下：
　　(1)利用SPPs波可在彎曲石墨烯上傳播的特性，設計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)和一個單層石墨烯波導構成。通過FEM計算發(fā)現(xiàn)，當石墨烯入射波導與諧振腔耦合能量適中時，能同時獲得較高的品質因子和消光比，當石墨烯諧振腔費米能為0.6eV

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

5、石墨烯對太赫茲光波的強局域性，設計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、介質光柵、單層石墨烯和介質襯底構成。通過FDTD計算我們發(fā)現(xiàn)，在7.5THz處，當石墨烯費米能為0.6eV時，SPPs波全部耦合到右端出口，而當石墨烯費米能降低到0.3eV時，SPPs波全部耦合到左端出口。石墨烯的費米能可通過調(diào)節(jié)門電壓的方式進行控制，表明太赫茲SPPs波在該耦合器的傳播方向可進行動態(tài)改變。
　　(3)利用石墨烯條帶邊模式