基于石墨烯电光特性的超材料太赫兹调制器的设计

论文摘要

随着太赫兹技术的快速发展,太赫兹技术在生物医学、传感、分子成像、无线通信等领域有着重要建树。然而在THz应用中对许多功能器件如THz开关、调制器、滤波器等器件性能要求很高。伴随着对超材料的深入研究,为上述器件的深入研究打开了一个新的窗户。超材料利用天然材料所不具备的负电磁参数和负折射率等超常电磁性质,可以对THz波产生强烈响应,为THz波段的功能器件研究提供了可能。石墨烯因为其具有极快的费米速度、常温下超高的载流子迁移率、光电性能、良好的光透明性;同时可以通过物理或化学方法来转换其载流子浓度,在THz波和石墨烯之间实现可控的相互作用。从而石墨烯在调控太赫兹波方面表现出优势。针对以上研究背景,本文利用人工超材料和石墨烯新型材料的结合,设计了太赫兹波调制器,主要包括以下内容:1.提出了一种基于图案化石墨烯的多频点动态可调太赫兹超材料调制器结构。使用石墨烯层-介质层-石墨烯层来实现在不改变几何结构的情况下,达到谐振频点数量的主动控制。通过给不同石墨烯层不同的偏置电压,得到不同的费米能级可以实现谐振频点由2个增加至4个,同时得到了 95%的调制深度。改变THz波的入射角度,得出调制器透射特性基本不被影响,其原因是由于结构的高度对称性。同时通过对结构表面电流及内部电场进行研究,阐述了实现谐振点数量主动控制以及调制的机理。2.提出了一种基于石墨烯的太赫兹等离子体诱导透明的超材料结构。由四个几何机构相同的石墨烯椭圆环分布在垂直与水平方向上组成。基于亮-暗模式理论,在不改变结构尺寸的前提下,通过分别对水平椭圆环与垂直椭圆环施加不同偏置电压改变其费米能级,实现了等离子体诱导透明。改变超材料结构中石墨烯椭圆环之间的耦合距离来控制PIT（Plasmon Induced Transparency,PIT）窗口。更加重要的是,通过改变石墨烯费米能级,可以在研究频段内主动控制透明窗口的共振频率实现动态调谐,在实践中有着很高的应用性。同时改变石墨烯费米能级可以实现波的调制,调制深度接近80%。最后通过石墨烯费米能级的改变,观察到大的群延迟,在透明峰处为0.52ps。这些结果可以应用在可调谐太赫兹开关、慢光器件和调制器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 太赫兹波概述
•     1.1.1 太赫兹科学与技术
•     1.1.2 太赫兹功能器件的研究
•   1.2 超材料与石墨烯
•     1.2.1 超材料介绍
•     1.2.2 石墨烯介绍
•   1.3 基于石墨烯的太赫兹调制器动态发展
•   1.4 本文研究内容
• 第二章 石墨烯电光特性与等离子体诱导透明理论基础
•   2.1 石墨烯电调谐特性
•     2.1.1 石墨烯电导率模型
•     2.1.2 石墨烯电可调性的分析
•   2.2 人工电磁超材料中的等离子体诱导透明效应
•     2.2.1 电磁诱导透明效应
•     2.2.2 等离子体诱导透明效应
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于图案石墨烯的多频点动态可调太赫兹超材料调制器
•   3.1 引言
•   3.2 模型结构
•   3.3 仿真结构与分析
•     3.3.1 单层石墨烯调制器的谐振特性研究
•     3.3.2 双层石墨烯调制器的谐振特性研究
•     3.3.3 斜入射对石墨烯调制器的谐振特性影响
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于太赫兹等离子体诱导透明的超材料调制器
•   4.1 引言
•   4.2 模型结构
•   4.3 仿真结构与分析
•     4.3.1 PIT形成机理研究
•     4.3.2 耦合距离对PIT效应的影响
•     4.3.3 石墨烯费米能级改变对PIT效应的影响及慢光领域的应用
•     4.3.4 PIT效应在调制器的应用
•     4.3.5 PIT效应应用于传感
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文工作总结
•   5.2 下一步计划
• 参考文献
• 硕士学位期间完成的科研成果
•   发表论文
•   参加项目
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张小龙

导师: 宗容,陈哲

关键词: 太赫兹,超材料,石墨烯,调制器,等离子体诱导透明

来源: 云南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学,无线电电子学

单位: 云南大学

分类号: TQ127.11;O441.4;TN761

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