發(fā)布時(shí)間：2020-08-16 19:06

【摘要】：表面等離子體激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是在金屬和電介質(zhì)交界面上激發(fā)的一種集體電荷振蕩形式,是光波與金屬表面自由電子相互耦合產(chǎn)生的一種電磁波,能夠突破衍射極限的限制,將電磁波束縛在亞波長(zhǎng)尺寸。近年來,利用SPPs進(jìn)行光信號(hào)的傳輸和調(diào)控成為了人們的研究熱點(diǎn)。但是貴金屬一般具有較大的傳輸損耗以及熱損耗,并且器件一旦加工成型后,其幾何尺寸就無(wú)法改變,因此其應(yīng)用前景受到了限制。最近,人們發(fā)現(xiàn)石墨烯(graphene)同樣可以支持SPPs的傳輸和調(diào)控。與一般的貴金屬材料相比,石墨烯具有十分明顯的優(yōu)勢(shì),首先,石墨烯等離子體激元(Graphene surface plasmons,GSPs)可存在于中紅外波段,頻帶范圍寬;其次,GSPs具有很強(qiáng)的模式束縛力以及極小的傳播損耗;第三,石墨烯的介電常數(shù)可通過化學(xué)摻雜和偏置電壓來改變。近年來,人們?cè)贕SPs的傳輸與調(diào)控方面取得了諸多成果,在實(shí)驗(yàn)和理論方面都取得了重大突破。本文在這些研究成果的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬的方式,設(shè)計(jì)研究了幾種基于GSPs的波導(dǎo)器件。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)設(shè)計(jì)了一種由涂覆雙層石墨烯的圓形介質(zhì)納米線組成的表面等離子體光波導(dǎo)。數(shù)值分析了納米線半徑、介質(zhì)夾層厚度、石墨烯化學(xué)勢(shì)以及工作頻率對(duì)波導(dǎo)所支持的電磁場(chǎng)模式的有效折射率、傳播長(zhǎng)度、歸一化模式面積、以及品質(zhì)因數(shù)等模式特性的影響。結(jié)果表明,這種新型的混合GSPs光波導(dǎo)具有很強(qiáng)的模式束縛能力和較低的傳輸損耗,且歸一化模式面積非常小,可以實(shí)現(xiàn)極高密度的光子學(xué)器件集成。(2)為了獲取結(jié)構(gòu)更加緊湊且電磁場(chǎng)模式性能更加優(yōu)異的光波導(dǎo)器件,本文又設(shè)計(jì)了一種由涂覆石墨烯的領(lǐng)結(jié)型納米線組成的新式表面等離子體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的新式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠在可接受的傳播長(zhǎng)度范圍內(nèi),使得歸一化模式面積最小達(dá)到10~(-7)數(shù)量級(jí)。并且,通過改變石墨烯或者周圍介質(zhì)的幾何參數(shù)和電磁參數(shù),可以對(duì)模式傳輸特性進(jìn)行有效的調(diào)控。最后,文章討論了該波導(dǎo)在實(shí)際應(yīng)用中由于制作誤差對(duì)模式特性帶來的影響。此外,還設(shè)計(jì)了一種涂覆石墨烯的圓形介質(zhì)納米線與未涂覆石墨烯的三角形介質(zhì)納米線組成的混合表面等離子體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示當(dāng)入射波長(zhǎng)在中紅外波段時(shí),電磁場(chǎng)可以被束縛在深度亞波長(zhǎng)的區(qū)域,并且還有較低的傳播損耗。另外,也可以通過改變這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和電磁參數(shù),對(duì)波導(dǎo)的傳播特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。(3)在對(duì)涂覆石墨烯的介質(zhì)納米線表面等離子體光波導(dǎo)傳輸特性的理解基礎(chǔ)上,本文又設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯、且具有類等離子體誘導(dǎo)透明(Plasmon induced trans-parency,PIT)傳輸特性的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該光波導(dǎo)由石墨烯直波導(dǎo)和與其臨近的石墨烯納米條和石墨烯納米環(huán)兩個(gè)諧振腔側(cè)耦合而構(gòu)成。研究表明,通過改變石墨烯納米條型諧振腔的長(zhǎng)度和石墨烯納米環(huán)諧振腔的半徑、與直波導(dǎo)之間的側(cè)耦合距離以及石墨烯化學(xué)勢(shì)均可以調(diào)節(jié)透明窗口的位置。同時(shí),該波導(dǎo)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)靈敏度較高的折射率傳感的功能特性。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為氋度集成的基于石墨烯的納米光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法,在調(diào)制器、光開關(guān)、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN252
【圖文】：

圖 1.1 富勒烯、碳納米管、石墨三種不同結(jié)構(gòu)的形成過程。納米帶寬度減小到 100 納米以下時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn) 10-7數(shù)量超大的模式有效折射率。2012 年 Johan Christensen 等人[帶平行放置或者上下放置時(shí)的表面等離子體激元的傳輸特

、等離子體濾波器[34,35]等。例如，圖1.2是文獻(xiàn)[27，29]設(shè)計(jì)的兩種光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)；圖1.3是文獻(xiàn)[30，31]設(shè)計(jì)兩種吸收器結(jié)構(gòu)；圖1.4是文獻(xiàn)[32，33] 設(shè)計(jì)的兩種納米傳感器結(jié)構(gòu)；圖1.5是文獻(xiàn)[34，35]設(shè)計(jì)的兩種等離子體激元濾波器結(jié)構(gòu)。圖 1.2 基于石墨烯的(a)波導(dǎo)集成光探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖[27]，(b)介質(zhì)混合波導(dǎo)探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖[29]。

35]等。例如，圖1.2是文獻(xiàn)[27，29]設(shè)計(jì)的兩種光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)；圖1.3是文獻(xiàn)[30，31]設(shè)計(jì)兩種吸收器結(jié)構(gòu)；圖1.4是文獻(xiàn)[32，33] 設(shè)計(jì)的兩種納米傳感器結(jié)構(gòu)；圖1.5是文獻(xiàn)[34，35]設(shè)計(jì)的兩種等離子體激元濾波器結(jié)構(gòu)。圖 1.2 基于石墨烯的(a)波導(dǎo)集成光探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖[27]，(b)介質(zhì)混合波導(dǎo)探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖[29]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Ting-Hui Xiao;Lin Gan;Zhi-Yuan Li;;Graphene surface plasmon polaritons transport on curved substrates[J];Photonics Research;2015年06期

2 李娜;倪曉昌;王彬;栗巖峰;李彤;李毅;宋振明;;表面等離子體激元研究進(jìn)展[J];天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào);2010年04期

本文編號(hào)：2794821