太赫茲及中紅外頻段石墨烯表面等離激元器件的研究.pdf

1、近年來，隨著納米加工和制備技術(shù)以及集成光子學(xué)的不斷發(fā)展，人們對表面等離激元(SPPs)機(jī)理的研究逐漸廣泛和深入，并使之成為一門新興的學(xué)科。SPPs在納米光子學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)凸顯出巨大的應(yīng)用價值，未來SPPs的研究將向著多維化、實用化的方向發(fā)展。在過去的十幾年里，針對SPPs的研究主要是圍繞金、銀等貴金屬材料在可見光和近紅外頻段中展開的，而在太赫茲及中紅外頻段內(nèi)等離子體器件的研究則相對比較薄弱。
　　如何降低納米尺度SPPs波導(dǎo)傳輸損耗

2、及如何利用SPPs設(shè)計制備出各種新型、簡便及高效的納米光子學(xué)器件，成為擺在科研人員面前的一個難題。石墨烯的橫空出世逐漸填補(bǔ)了SPPs在太赫茲及中紅外頻段的空白，使其在信息與通信、醫(yī)學(xué)、軍事、生物傳感以及光譜學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用。石墨烯是由單層碳原子組成的零帶隙半導(dǎo)體材料。對于本征石墨烯而言，費(fèi)米能級EF分布于狄拉克點(diǎn)所在平面上。這種零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)極易受到各種因素，如外加電場、表面吸附、晶格變形以及摻雜等的影響而產(chǎn)生摻雜效應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯

3、費(fèi)米面遠(yuǎn)離狄拉克點(diǎn)。另外，石墨烯不僅具有貴金屬材料所不具備的獨(dú)特的可調(diào)節(jié)性，而且還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性。上述特點(diǎn)能夠大大促進(jìn)石墨烯在等離子體器件領(lǐng)域包括光子檢測器、等離子開關(guān)、濾波器、隱形斗篷、轉(zhuǎn)換光學(xué)、雙曲超材料和超透鏡以及硅波導(dǎo)中的電光調(diào)制器等的研究。
　　本論文的研究工作主要圍繞兩種不同橫向尺寸石墨烯結(jié)構(gòu)的傳輸特性進(jìn)行研究，并設(shè)計幾種相關(guān)等離激元器件。具體的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　1.針對懸浮于空氣中的橫向大尺

4、寸石墨烯，分析了石墨烯TM SPP模式的色散關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計具有離散有效折射率分布可變焦距的等離子聚焦透鏡和半麥克斯韋魚眼透鏡。利用石墨烯表面上透鏡焦距位置最大電能量密度和焦線上半最大寬度兩個指標(biāo)來對等離激元透鏡在不同工作頻率、化學(xué)勢、離散個數(shù)以及透鏡尺寸上的性能進(jìn)行了分析。在上述等離激元器件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計了光學(xué)相關(guān)濾波系統(tǒng)和光束寬度可調(diào)的光學(xué)耦合系統(tǒng)。
　　2.研究了置于石墨烯之上的介質(zhì)厚度變化對石墨烯TMSPP色散關(guān)

5、系的影響，并借助麥克斯韋旋度方程及其相關(guān)邊界條件求出石墨烯TM SPP模式有效折射率與介質(zhì)厚度的關(guān)系，得出了與理論值基本相符的不同頻率下介質(zhì)的截止厚度。利用上述的介質(zhì)厚度調(diào)節(jié)方法，通過在一片化學(xué)摻雜μc=0.15 eV的石墨烯薄片上沉積特定厚度SiO2介質(zhì)的方法來設(shè)計了基于波導(dǎo)模式的布拉格反射器。
　　3.利用石墨烯納米帶所獨(dú)有的SPP有效折射率值與納米帶寬度呈反比關(guān)系的特點(diǎn)，設(shè)計了基于不同納米帶寬度的布拉格反射器。與其它反射器所

6、不同的是，該反射器所需的有效折射率比可以通過在特定的化學(xué)勢條件下設(shè)置不同寬度的元胞值來實現(xiàn)，而帶隙的寬度則是通過改變元胞寬度比來調(diào)節(jié)。
　　4.設(shè)計了基于法布里-珀羅(F-P)諧振的石墨烯納米帶帶通濾波器。在該器件中，石墨烯納米帶邊界模式能夠增強(qiáng)相鄰元件之間的電磁耦合，而耦合進(jìn)不同納米結(jié)構(gòu)的SPP模式在特定頻率下會產(chǎn)生諧振，進(jìn)一步增強(qiáng)其耦合效果。利用峰值傳輸率與頻率選擇兩個參數(shù)作為衡量濾波器性能的指標(biāo)，對該濾波器在不同的耦合距離、

7、化學(xué)勢以及諧振器尺寸等方面的性能進(jìn)行了分析和研究。另外，利用F-P諧振腔中不同模式駐波的分布，將輸出端口設(shè)置在F-P諧振腔的不同位置可實現(xiàn)抑制一種模式而輸出另一種模式的SPP波，并以此設(shè)計出具有頻帶選擇和功率分配功能的濾波器。
　　5.研究了利用兩個F-P諧振器通過直接耦合來產(chǎn)生類似原子電子感應(yīng)透明(EIT)的透明傳輸現(xiàn)象，采用基于時間耦合的模式理論研究了EIT現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，分析了不同化學(xué)勢、諧振器之間的耦合距離以及諧振器與納米

8、帶波導(dǎo)的耦合間隙對該EIT系統(tǒng)性能的影響。同時，得出在耦合距離保持不變的條件下諧振器之間尺寸的差異會導(dǎo)致透明窗口帶寬的波動，進(jìn)而影響其固有的慢波特性。最后，通過分析透明窗口的寬度與群折射率和耦合距離之間的關(guān)系得出耦合距離是影響石墨烯EIT系統(tǒng)慢波特性的重要因素。
　　本論文針對兩種不同橫向尺度石墨烯SPP的色散特性進(jìn)行了深入的研究，并提出了一些新的方法，在這些方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種等離激元器件并詳細(xì)分析其性能。本論文的創(chuàng)新性成果具

9、體體現(xiàn)在如下四個方面:
　　1.根據(jù)懸浮于空氣中的橫向大尺寸石墨烯TM SPP模式色散關(guān)系中SPP有效折射率與石墨烯電導(dǎo)率以及化學(xué)勢的關(guān)系，利用有效折射率方法對各種等離激元透鏡的聚焦效果進(jìn)行分析。與利用傳輸線理論來分析波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)一樣，利用有效折射率方法來分析基于石墨烯的SPP平板透鏡在焦點(diǎn)位置的電能量密度和半最大寬度進(jìn)而分析其聚焦性能也是一種非常有效的方法。
　　2.提出了一種介質(zhì)厚度調(diào)節(jié)方法來控制和導(dǎo)引石墨烯表面TM

10、 SPP波的傳輸，并導(dǎo)出石墨烯TM SPP模式有效折射率與介質(zhì)厚度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出了與理論值基本相符的不同頻率下介質(zhì)的截止厚度。該方法結(jié)構(gòu)簡單，在設(shè)計等離子布拉格反射器或其它復(fù)雜的慢波系統(tǒng)方面不失為一種非常靈活有效的方法。
　　3.首次提出了基于不同石墨烯納米帶寬度的布拉格反射器。該方法通過在一定的化學(xué)勢條件下設(shè)置不同寬度比的元胞來產(chǎn)生反射器所需的有效折射率比。相對于通過調(diào)節(jié)不同元胞化學(xué)勢來產(chǎn)生有效折射率比的反射器來

11、說，本次研究所提及的反射器結(jié)構(gòu)相對簡單，無需設(shè)計復(fù)雜的控制電路，因而具有更好的可行性。
　　4.結(jié)合傳統(tǒng)的耦合模式理論，首次提出了基于F-P諧振的石墨烯納米帶帶通濾波器的設(shè)計方法，并利用F-P諧振腔中不同模式駐波的分布規(guī)律實現(xiàn)了濾波器的頻帶選擇和功分功能。另外，提出了利用間距在納米尺度的兩個F-P諧振器的直接耦合來產(chǎn)生類似原子EIT現(xiàn)象的方法。與金屬結(jié)構(gòu)相比，基于石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)的等離子體器件能夠進(jìn)一步減小器件的尺寸并能夠增強(qiáng)耦合