基于石墨烯表面等離子激元回音壁模式研究.pdf

1、表面等離子回音壁諧振腔結(jié)合了表面等離子激元（SPPs）和回音壁模式（WGM）微腔的特性，因而具有高品質(zhì)因子（Q值）、小模式體積，成為了集成光電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诮饘俚腟PPs裝置不便調(diào)節(jié)且損耗大，限制了具有優(yōu)良性能的光子材料和裝置的發(fā)展。石墨烯被認(rèn)為是除貴金屬之外的又一種表面等離子材料。到目前為止，在實(shí)驗(yàn)和理論上，已經(jīng)證明石墨烯擁有低損耗、高限制、靈活性和易調(diào)節(jié)性等特點(diǎn)?；谑┑谋砻娴入x子回音壁模諧振腔在高靈敏傳感器、低閾值激光器

2、、高效單光子源、非線性光學(xué)和腔量子電動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。本論文主要從理論模擬上研究了基于石墨烯的諧振腔的模式特性，并分析了品質(zhì)因子和有效模式體積隨著腔的幾何參數(shù)（腔半徑）、材料參數(shù)（電介質(zhì)材料的折射率）、石墨烯表面電導(dǎo)率參數(shù)（波長(zhǎng)、豫馳時(shí)間、化學(xué)勢(shì)）的變化規(guī)律及其物理機(jī)制。
　　主要研究工作和成果如下：
　　1、在近紅外光譜范圍內(nèi)，利用有限元方法數(shù)值模擬計(jì)算并分析了石墨烯包層的InGaAs納米線腔模式特性以及Q值

3、和有效模式面積隨著腔半徑、波長(zhǎng)和石墨烯化學(xué)勢(shì)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，納米線腔的Q值不隨腔半徑的增加而改變，腔的模式特性基本是由石墨烯電導(dǎo)率（腔波長(zhǎng)或石墨烯的化學(xué)勢(shì)）決定。當(dāng)化學(xué)勢(shì)為1.2eV時(shí)，在半徑為5nm的腔內(nèi)，Q值可以達(dá)到235，而模式面積僅僅是3.75×10-5（λ0）2，比傳統(tǒng)的介質(zhì)回音壁模式微腔要小。
　　2、在中紅外光譜范圍內(nèi)，利用有限元方法數(shù)值模擬計(jì)算并分析了石墨烯包層的半導(dǎo)體納米碟腔腔模式特性

4、以及Q值和有效模式體積隨著腔的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、石墨烯表面電導(dǎo)率參數(shù)的變化規(guī)律。該腔的半徑僅為60nm和厚度為10nm。研究結(jié)果表明：當(dāng)石墨烯的化學(xué)勢(shì)和豫馳時(shí)間分別為0.9eV、1.4ps時(shí)，在250K以下，所提出的納米碟腔的模式體積為1.4×10-5（λ0/2n）3，對(duì)應(yīng)的腔Q值為266，導(dǎo)致一個(gè)大的Purcell因子1.2×107。同時(shí)，該納米碟腔可以通過(guò)改變石墨烯摻雜或者閾值電壓來(lái)調(diào)節(jié)腔模式的特性。
　　3、在近紅外光譜范