石墨烯表面等離激元（SPP）具有很強(qiáng)的表面束縛特性,在太赫茲和中紅外波段（MIR）損耗控制以及電調(diào)諧等方面同貴金屬相比具有很大優(yōu)勢(shì)。結(jié)合二維光子晶體的周期結(jié)構(gòu),可以設(shè)計(jì)出許多新穎的漸變折射率器件和電重構(gòu)器件。本文主要研究了太赫茲石墨烯SPP的傳輸特性,提出了一種點(diǎn)密度渲染（DDR）偏置結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一系列太赫茲波段的二維（準(zhǔn)）光子晶體器件。1)提出了一種新型的點(diǎn)密度渲染偏置結(jié)構(gòu)。在石墨烯SPP器件的已有研究中,偏置電極結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯SPP傳輸引入的誤差較少被關(guān)注。本文討論了由石墨烯偏置結(jié)構(gòu)帶來(lái)的偏置圖樣變形問(wèn)題,即“軟邊界”效應(yīng)。為此,本文提出了一種新型的點(diǎn)密度渲染結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使用高折射率的點(diǎn)在低折射率區(qū)域中的密度漸變來(lái)模擬漸變折射率,從而有效克服“軟邊界”效應(yīng),同時(shí)增加了設(shè)計(jì)的靈活度,降低了加工精度要求,提升了石墨烯SPP器件的性能。2)提出了一種新型的基于DDR結(jié)構(gòu)的慢光波導(dǎo)。本文比較了不同晶格之間的慢光特性,最終選取45°晶格構(gòu)建線缺陷慢光波導(dǎo),并討論石墨烯材料色散對(duì)慢光特性的影響。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),在單模條件下找到了第一禁帶內(nèi)的最大歸一化延遲帶寬積（NDBP）結(jié)構(gòu)。同時(shí),... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

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圖１．?１?（ａ）人工負(fù)折射率介質(zhì)超材料，（ｂ）超材料波束掃描透鏡［９］??

?（Ｌ１１）??其中ｗＰ＝?ｌＪＴｘｌＯ６＾１為金屬等離子體的集體振蕩頻率。將金屬?gòu)?fù)介電常數(shù)和介質(zhì)??的復(fù)介電常數(shù)導(dǎo)入表面等離激元色散關(guān)系，可以求得色散關(guān)系曲線如圖１．２中藍(lán)??色曲線所示。??仍個(gè)?＾??ｉ／??ｆｆＫ??ｋ??圖１．２表面等離激元的色散關(guān)系和激發(fā)條件??１．２．３表面等離激元波的激發(fā)和調(diào)控??由圖１．２中可以觀察到，無(wú)限大金屬介質(zhì)的表面等離激元模式的色散曲線完??全落在光錐的右側(cè)，無(wú)法和自由空間的電磁波自然發(fā)生耦合和能量轉(zhuǎn)換。所以為??了激發(fā)表面等離激元波，不僅要滿足能量守恒，還要補(bǔ)償動(dòng)量的不匹配。如圖??１．３所示，通常使用四種方法來(lái)激發(fā)ＳＰＰ。第一種是采用棱鏡耦合，這種方式相??當(dāng)于擴(kuò)展了光錐的范圍。在平行于金屬介質(zhì)交界面的倏逝波的波矢分量中包含表??面等離激元的波矢，故ＳＰＰ得以激發(fā)。人們也常用強(qiáng)聚焦光束打到高數(shù)值孔徑??的顯微鏡物鏡上激發(fā)ＳＰＰ，原理相同。第二種是在平面構(gòu)造光柵，使得平行交界??面的波矢被光柵影響，匹配波矢以激發(fā)ＳＰＰ［３５，３６］。第三種是采用亞波長(zhǎng)探針近??場(chǎng)激發(fā)。該結(jié)構(gòu)理論上可以激發(fā)的模式是無(wú)限多的

石墨烯的二維結(jié)構(gòu)是一種起伏的六角晶格，在緊束縛近似條件下，石墨烯電??子能帶結(jié)構(gòu)也是呈六角形分布，和布里淵區(qū)形狀吻合，上下能帶在晶格頂點(diǎn)成錐??形連接，如圖１．４所示。在絕對(duì)零度下，未摻雜的石墨烯費(fèi)米面恰好穿過(guò)狄拉克??點(diǎn)。??圖１．４單層石墨烯能帶結(jié)構(gòu)示意圖??石墨烯的另一大優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在其可以實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的光吸收與光調(diào)控??［４９－５５］，這是貴金屬難以比擬的。如圖１．５所示，在太赫茲和中紅外波段，石墨??烯的帶內(nèi)躍遷占主導(dǎo)地位，等離子體的集體振蕩讓石墨烯擁有極佳的表面等離激??元材料特性；在中紅外以上的頻段（６ｐｍ左右），石墨烯的表面電導(dǎo)率會(huì)下降，??導(dǎo)致吸收率降低；進(jìn)入可見(jiàn)光波段，石墨烯帶間躍遷帶來(lái)的電導(dǎo)率也穩(wěn)定下來(lái)，??石墨烯的光吸收率也基本穩(wěn)定在２．３％左右［５６］。??１３??


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