基于石墨烯的新型波导和可调微纳光器件的研究

论文摘要

石墨烯是一种二维单层超材料,由碳原子以蜂巢状排列密布而成。石墨烯因具有众多独一无二的特性,深受专家学者的热切关注,被认为是划时代的新型材料。石墨烯在红外波段的电磁特性类似于金属,能够支持表面等离激元的传播,表面等离激元可以突破固有衍射极限,实现超高分辨率的光学成像及超高精度的光刻技术。石墨烯相比于传统的贵金属表面等离激元材料,可以获得更小的传输损耗,实现更长的传播长度,同时对传输模式电磁场有更强的束缚能力。利用石墨烯的表面电导可调谐性,石墨烯表面等离激元能够超越光电器件的几何结构限制,实现偏置电压对器件电磁响应的调节功能,扩展石墨烯器件的应用范围。本文提出了多种新型石墨烯光器件,并通过几何建模和数值仿真对其进行理论研究和性能分析。论文的主要研究成果以及创新点简述如下:1.提出了一种石墨烯多层纳米线波导,此波导由石墨烯和介质层相互包裹构成,具有超高的模式有效折射率,对光场具有很强的束缚作用,能够很好地控制表面等离激元在波导内部传输。石墨烯多层纳米线波导支持多个无截止的传输模式,可以在小体积下依然实现多模传输,有利于应用在传感领域。通过调节石墨烯费米能级可以改变波导的传输模式特性,实现石墨烯波导突破结构限制的可调谐性。2.提出了一种小有效模场面积的石墨烯方形波导,此波导几何尺寸在微纳量级,很适合应用在高集成度的光芯片中。当石墨烯方形波导工作频率大于20.8 THz时,波导中表面等离激元的传播长度优于同尺寸的纳米线波导,同时归一化有效模场面积大小在10-5量级,比纳米线波导归一化有效模场面积小2个数量级。3.提出了一种基于石墨烯纳米带阵列和石墨烯薄片的单频带石墨烯吸收器,其吸收率极高且结构简单。通过数值仿真,在吸收谱中频率为10.9 THz处,可以得到一个近乎完美的吸收峰,吸收率可达99.5%。通过调整单频带石墨烯吸收器的几何结构参数,对吸收器的性能进行了进一步的分析。根据性能分析结果优化吸收器的结构参数,将吸收器的吸收峰调整到了太赫兹波段,在频率为6.15 THz时获得了吸收率为99.9%的吸收峰。另外,使用偏置电压可以实现对单频带石墨烯吸收器吸收峰的调节功能,证明了单频带石墨烯吸收器能够适用于多种应用环境。4.提出了一种新型的双频带石墨烯吸收器,吸收器两个吸收峰的频率分别为4.95 THz和9.2 THz,两个吸收峰的峰值分别高达99.8%和99.6%。深入分析了双频带石墨烯吸收器结构参数和吸收性能之间的关系,进一步讨论了入射角度偏差对双频带石墨烯吸收器吸收效率的影响,验证了该吸收器具有很好的入射角度偏差容忍性。5.提出了一种石墨烯双层波导对场增强器,利用石墨烯双层波导之间的耦合原理,将场增强器中传输的表面等离激元能量集中在两个双层波导之间极小的狭缝中,实现了区域的场增强效应。石墨烯双层波导对场增强器的场增强因子可以达到108,比之前报道的单层石墨烯波导对场增强器的场增强因子107大一个数量级,同时将其与金属的双层波导对进行对比,证实了石墨烯双层波导对的场增强效果明显优于金属双层波导对。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 石墨烯的特性
•   1.3 石墨烯表面等离激元
•     1.3.1 石墨烯表面等离激元的特点
•     1.3.2 石墨烯表面等离激元的研究现状
•   1.4 石墨烯相关光器件
•     1.4.1 石墨烯波导
•     1.4.2 石墨烯吸收器
•     1.4.3 石墨烯其他可调谐器件
•   1.5 本论文的主要创新点和研究成果
• 2 石墨烯多层纳米线波导
•   2.1 引言
•   2.2 石墨烯模型
•   2.3 石墨烯多层纳米线波导数值仿真
•     2.3.1 解析模型
•     2.3.2 石墨烯多层纳米线波导仿真结果
•   2.4 波导几何结构的讨论
•   2.5 石墨烯多层纳米线波导的可调谐性
•   2.6 本章小结
• 3 石墨烯方形波导
•   3.1 引言
•   3.2 石墨烯方形波导的仿真分析
•     3.2.1 模式特性分析
•     3.2.2 对比实验
•   3.3 石墨烯方形波导的可调性研究
•     3.3.1 结构参数分析
•     3.3.2 调谐功能
•   3.4 本章小结
• 4 石墨烯太赫兹吸收器
•   4.1 引言
•   4.2 石墨烯吸收器的仿真分析
•     4.2.1 仿真结果和原理讨论
•     4.2.2 结构参数分析
•   4.3 石墨烯吸收器结构优化
•   4.4 本章小结
• 5 双频带石墨烯太赫兹吸收器
•   5.1 引言
•   5.2 双频带吸收器仿真分析和原理讨论
•   5.3 结构参数分析
•   5.4 可调性及入射偏差容忍
•   5.5 本章小结
• 6 石墨烯场增强器
•   6.1 引言
•   6.2 波导对场增强器
•     6.2.1 单波导仿真分析
•     6.2.2 波导对仿真分析
•   6.3 场增强器的仿真参数讨论
•     6.3.1 结构参数分析
•     6.3.2 可调谐性
•   6.4 场增强性能对比试验
•   6.5 本章小结
• 7 结论
•   7.1 总结
•   7.2 下一步要展开的工作
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 邢睿

导师: 简水生

关键词: 石墨烯,表面等离激元,石墨烯波导,太赫兹吸收器,场增强器

来源: 北京交通大学

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

单位: 北京交通大学

分类号: TQ127.11;TN256

总页数: 128

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