提出一種由石墨烯包裹的納米線和石墨烯層構(gòu)成的石墨烯間隙波導結(jié)構(gòu),并采用有限元方法對基模傳輸特性及其與結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等的關(guān)系進行了詳細研究。結(jié)果表明:納米線半徑、間隙距離、納米線介電常數(shù)和石墨烯化學勢均對模式傳輸特性有很大影響。通過優(yōu)化參數(shù),這種結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)石墨烯等離激元的長距離傳輸和模場的深度亞波長約束。采用石墨烯等離激元實現(xiàn)中紅外波的深亞波長傳輸為突破衍射極限光子器件的設計及高密度集成提供了理論基礎和指導。 

【文章來源】：光學學報. 2020年06期 北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

波導結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為基模能量分布。計算參數(shù)如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps,R=30nm，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,D=20nm,f0=20THz(f0為入射光頻率）。如圖2(a）所示，該結(jié)構(gòu)基模能量主要集中在間隙區(qū)域內(nèi)。同時，也給出了石墨烯等離激元模式傳播方向的坡印廷矢量大小|Sz|沿y軸的分布，如圖2(b）所示。可以清晰看到模式能量在納米線下表面達到峰值，而大尖峰和較小尖峰的不對稱性恰好體現(xiàn)了這類間隙等離激元結(jié)構(gòu)對光場能量極強的約束特性。此外，采用品質(zhì)因數(shù)FM[42]來描述傳播距離和歸一化模式場面積之間的關(guān)系，并定義FM=Re(neff）/Im(neff）。

圖3(a）給出了石墨烯等離激元等效模式系數(shù)實部Re(neff）以及傳播距離LP和頻率之間的關(guān)系。當頻率f0由20THz增大到40THz時，Re(neff）逐漸從35.336增大到51.653。等效模式系數(shù)虛部隨頻率的增大也是逐漸增大。由于LP與Im(neff）成反比，僅給出了LP和f0之間的關(guān)系。隨著f0不斷增大，石墨烯的吸收也增大，導致模式傳輸損耗增大，體現(xiàn)在模式傳輸距離的逐漸減小。圖3(b）給出了石墨烯等離激元模式歸一化模式場面積和品質(zhì)因數(shù)FM與頻率的關(guān)系。歸一化模式場面積Aeff/A0隨f0先增大并在高頻部分減小，但仍在同一量級。當f0=20THz時，傳輸距離大約為6.20μm，同時歸一化模式場面積僅為4.2×10-5。進一步，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對GPM傳輸特性的影響。參數(shù)設置如下：μc=0.5eV,T=300K，τ=0.5ps，ε1=3，ε2=1,W=200nm,H=100nm,f0=30THz。如圖4(a）所示，當D=20nm，納米線的半徑從30nm變化到100nm時，Re(neff）從42.747增加到46.258。增加R意味著石墨烯層的表面積會增加，導致模式場進入石墨烯層內(nèi)部的比例增加，故模式傳輸損耗增加而傳輸距離減小。從圖4(b）中可以得到歸一化模式場面積增大了不到1倍。在R變化范圍內(nèi)，F(xiàn)M取值范圍為120～126。因此，為了同時獲得相對較長的傳輸距離和較強的模式約束特性，最好選擇較小的半徑。但實際上，為了方便實際加工制造，納米線半徑不宜過小。

【參考文獻】：
期刊論文
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