石墨烯表面等離激元濾波器的研究.pdf

1、在十年內(nèi)我們目睹了各種新興技術(shù)給光電子產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的巨大變革，如硅基光電子、光子晶體、表面等離激元等。這些新興技術(shù)使得各種光電子器件向更加小型化、集成化、超快速、多功能等方向發(fā)展。而基于光波導(dǎo)的器件如光分器，耦合器，濾波器等在光電子器件中占據(jù)了非常重要的角色，因此研究光波導(dǎo)及其器件的小型化是推動(dòng)光器件向大規(guī)模集成化發(fā)展的關(guān)鍵。
　　硅基光電子將硅作為介質(zhì)應(yīng)用于光電子系統(tǒng)，硅較大的折射率使得硅基波導(dǎo)比傳統(tǒng)的二氧化硅波導(dǎo)具有更強(qiáng)的模式束縛

2、能力，因此工作在相同波長(zhǎng)下的硅基器件尺寸更小。同時(shí)硅基光波導(dǎo)可以利用現(xiàn)有的集成電路所用的硅基半導(dǎo)體加工工藝，更容易實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件與電學(xué)器件的集成。然而介質(zhì)光波導(dǎo)需要很大的曲率半徑才能夠避免彎曲損耗，因此用介質(zhì)波導(dǎo)構(gòu)造的光器件尺寸還是比較大。光子晶體波導(dǎo)是介質(zhì)波導(dǎo)的另一替代。光子晶體是一種人工的光學(xué)材料，它利用光子禁帶使得光波在光子晶體的帶隙內(nèi)無(wú)法傳播。然而，通過(guò)引入線缺陷，可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，使得光波可以在其中長(zhǎng)距離低損耗傳播。并且，

3、由于禁帶的存在，光子晶體波導(dǎo)可以構(gòu)造出彎曲損耗很小的直角甚至銳角波導(dǎo)，這進(jìn)一步推動(dòng)了波導(dǎo)器件和波導(dǎo)器件互連的小型化。表面等離激元是在金屬與介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ奶厥獾碾姶挪?，利用其可以?gòu)建局域能力超強(qiáng)的波導(dǎo)，它能夠突破衍射條件，構(gòu)建亞波長(zhǎng)尺寸的波導(dǎo)器件。在過(guò)去十年，研究者們的焦點(diǎn)一直集中在貴金屬表面等離激元，金，銀等材料以一直是首選材料?；诮?，銀等材料，研究這門提出了各類微型納米結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，如條型，V型，楔型，脊型，MIM型等。時(shí)至今日，金屬表

4、面等離激元已經(jīng)成了多個(gè)學(xué)科和應(yīng)用的支柱，然而其應(yīng)用頻域主要集中在可見(jiàn)光到近紅外范圍內(nèi)。并且，金屬表面等離激元器件在加工成型后難以調(diào)諧?；谶@些缺點(diǎn)，學(xué)者們?nèi)匀辉趯ふ腋有滦偷谋砻娴入x激元材料。
　　在尋求更好的表面等離激元材料的過(guò)程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，石墨烯支持THz到中紅外頻率范圍表面等離子體共振，是在此頻段內(nèi)最佳的是最有潛力的表面等離激元材料。這一頻段的光波廣泛應(yīng)用于如通信，醫(yī)療，安保，生物傳感，電鏡等領(lǐng)域。并且，和金屬不同的是，

5、石墨烯的自由載流子濃度可以由化學(xué)摻雜，門電路等方法來(lái)控制。研究表明，固體電介質(zhì)門電路控制的石墨烯可以達(dá)到自由載流子濃度至0.1/Atom，相當(dāng)于將其費(fèi)米能級(jí)改變到了Ef≈1eV。因此，二維材料石墨烯表面等離子體提供了傳統(tǒng)的貴金屬材料所不能提供的電可調(diào)節(jié)性能。除了作為可調(diào)節(jié)的光學(xué)材料之外，石墨烯也是電的良導(dǎo)體。在懸浮的石墨烯樣品中，其載流子的速度高達(dá)106cm2/(Vs)。由于石墨烯杰出的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，科學(xué)家們希望將石墨烯納

6、米帶用作集成電路的互聯(lián)材料，這樣集成電路的發(fā)展就有望于繼續(xù)滿足摩爾定律的預(yù)測(cè)。在對(duì)石墨烯納米帶的研究的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其表面等離激元模式的電磁束縛能力非常強(qiáng)大，單層石墨烯納米帶模式的等效折射率隨著寬度的變窄甚至能達(dá)到150以上，如果用兩層納米帶疊加，其支持的混合模的等效折射率更大。因此石墨烯納米帶作為表面等離激元光器件的平臺(tái)也有著非常巨大的潛力，近年來(lái)，許多研究者紛紛致力于將傳統(tǒng)的波導(dǎo)光學(xué)器件以及新興的金屬表面等離激元波導(dǎo)器件等轉(zhuǎn)移到石墨烯

7、納米帶這一平臺(tái)上來(lái)，并驗(yàn)證驗(yàn)證其可行性，分析其特殊性。最近有大量的基于石墨烯納米帶的表面等離激元器件如分光器，耦合器，諧振器，濾波器等在最近被提出并研究，然而限于現(xiàn)有的加工技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件，此類研究目前主要集中在理論分析和數(shù)值分析。在各種光器件中，濾波器是光通信中非常關(guān)鍵的器件，它是構(gòu)建波分復(fù)用器件的基礎(chǔ)元件。隨著光通信的發(fā)展，波分復(fù)用器件的廣泛應(yīng)用引發(fā)了對(duì)更加小型化、集成化的光學(xué)濾波器的大量需求。諧振器耦合型濾波器是實(shí)現(xiàn)這一類濾波器的首

8、選，這是因?yàn)樗鼈兛梢栽诤苄〉某叨壬蠈?shí)現(xiàn)窄帶濾波。僅僅將一個(gè)光波導(dǎo)與一個(gè)微型環(huán)諧振器側(cè)向耦合，就可以得到一個(gè)性能良好的窄帶寬，寬自由空間譜的帶阻型光學(xué)信道分路濾波器，而如果將諧振器置于兩段波導(dǎo)中間，則可以構(gòu)成帶通型濾波器。如果將光學(xué)濾波器轉(zhuǎn)移到石墨烯納米帶這一平臺(tái)上，很自然的就能夠?qū)崿F(xiàn)超微型，可電調(diào)諧，寬光譜適用等其他平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的特性。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容就是設(shè)計(jì)基于石墨烯納米帶的表面等離激元濾波器。利用石墨烯納米帶中表面等離

9、激元的物理特性、傳播規(guī)律、調(diào)控手段等，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu)，并利用相關(guān)的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算和分析驗(yàn)證，深入的探索不同結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)濾波效果的物理機(jī)制，濾波器調(diào)諧的方法，以及影響濾波器透射譜的各項(xiàng)參數(shù)。本論文的工作為制造基于石墨烯納米帶的超微型表面等離激元濾波器提供了理論依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成光電子器件有參考價(jià)值。根據(jù)上述研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容，本文的創(chuàng)新工作共分為以下幾個(gè)部分:
　　1)本文研究了電磁波與石墨烯的

10、相互作用，激發(fā)的石墨烯表面等離子體激元的各種特性。用數(shù)值算法研究了石墨烯納米帶波導(dǎo)上表面等離激元模式的傳輸特性。不同的石墨烯的生長(zhǎng)工藝會(huì)導(dǎo)致石墨烯樣品的品質(zhì)和性能的不同，并且有些工藝獲得的石墨烯樣品難以從襯底中轉(zhuǎn)移。本文研究了石墨烯納米帶自由懸浮在空氣中，放置在SiO2/Si層狀襯底上，以及放置在Si襯底上三種情況下的模式色散特性，首次通過(guò)仿真計(jì)算確定了石墨烯納米帶在SiO2/Si層狀襯底和Si襯底上的單模工作頻率范圍和寬度范圍，為基于

11、石墨烯納米帶SPP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　2)通過(guò)Drude色散模型和三維等效介電系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含有二維材料單層石墨烯三維結(jié)構(gòu)的時(shí)域有限差分法的數(shù)值仿真計(jì)算。針對(duì)表面等離激元濾波器的三維結(jié)構(gòu)，建立數(shù)值仿真模型，給出計(jì)算濾波器端口的功率譜以及濾波器的透射譜等后處理方法，并驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性和正確性。
　　3)本文首次提出了使用石墨烯納米碟諧振器與石墨烯納米帶波導(dǎo)串行耦合形成的帶通型表面等離激元濾波器結(jié)構(gòu)，并

12、通過(guò)FDTD數(shù)值計(jì)算分析了其透射譜特性。文中分析了碟形諧振器的諧振特性和原理，以及與環(huán)形諧振器相比具有的優(yōu)點(diǎn)。隨后分析了襯底材料的厚度，耦合距離，碟的尺寸以及石墨烯化學(xué)勢(shì)等各項(xiàng)參數(shù)對(duì)濾波器透射譜的影響。計(jì)算發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變碟的直徑或者石墨烯的化學(xué)勢(shì)可以調(diào)節(jié)濾波器的諧振頻率，因此本文提出的濾波器結(jié)構(gòu)可以在器件成型后用門電路來(lái)對(duì)諧振頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。此外，由于石墨烯納米帶的強(qiáng)模式束縛能力，本文提出的濾波器尺寸小于500nm，遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)10μ

13、m，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)工作的性能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成光路器件有積極意義。
　　4)基于諧振器的側(cè)向耦合可以構(gòu)造帶阻型濾波器，根據(jù)這一原理以及石墨烯納米帶強(qiáng)大的模式束縛能力，本文首次提出了使用有限長(zhǎng)度的石墨烯納米帶這一簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)駐波諧振器。并將短的納米帶諧振器與長(zhǎng)的納米帶波導(dǎo)側(cè)向耦合，構(gòu)造了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的帶阻型表面等離激元濾波器，其阻帶可以達(dá)到-20dB以下。使用FDTD數(shù)值計(jì)算方法，具體分析了濾波器的工作特性，原理，以及影響諧振器與納

14、米帶耦合的各項(xiàng)參數(shù)，分析了濾波器的電調(diào)諧性能?；谶@種簡(jiǎn)單的納米帶諧振器，可以方便的構(gòu)造出形式多樣的光電子器件，如文中給出的帶開(kāi)關(guān)功能的光分器和納米帶陣列波分復(fù)用器兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。同時(shí)，由于石墨烯納米帶表面等離激元具有極強(qiáng)的模式束縛能力和超大的等效折射率，使得表面等離激元波能夠在直角甚至銳角的納米帶中無(wú)彎曲損耗傳輸，因此本文中使用其構(gòu)造了矩形環(huán)諧振器，并將其與納米帶耦合形成帶阻濾波器。文中探究了矩形諧振環(huán)在偶數(shù)階諧振特有的雙模分裂現(xiàn)象，并

15、根據(jù)耦合模理論，本文分析了影響方形環(huán)與波導(dǎo)耦合的各種因素，討論了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格耦合的方法。
　　5)本文提出了用石墨烯納米帶實(shí)現(xiàn)單齒型表面等離激元濾波器的結(jié)構(gòu)。文中使用FDTD數(shù)值計(jì)算結(jié)合散射矩陣?yán)碚?，深入系統(tǒng)地研究了表面等離激元在這種濾波器結(jié)構(gòu)中的傳輸特性，驗(yàn)證了此單齒型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)帶阻濾波功能。通過(guò)調(diào)控齒的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒的長(zhǎng)度、寬度，以及石墨烯的化學(xué)勢(shì)等可以對(duì)濾波的工作頻率及帶寬等進(jìn)行有效調(diào)諧;同時(shí)，濾波器帶寬是非常