基于石墨烯的太赫茲波導器件的研究.pdf

1、近年來,人們設計了許多不同結構的光波導來滿足各種不同的需要,如目前廣泛應用的光子晶體波導。眾所周知,光子晶體是一種不匹配的電介質周期性結構,這種結構能夠影響其中的光波傳播。它有許多獨特的光學特性,例如負折射效應,超棱鏡以及自準直現象,這些特性使得它被廣泛的研究并且運用在通信領域和光波導領域。雖然光子晶體波導在可見光與紅外區(qū)域的理論以及結構設計方面取得了重大進步,但是由于太赫茲光波的波長較長,而目前微結構制作的典型材料石英在太赫茲頻率范圍

2、吸收損耗較高,不適合制作太赫茲光波導。所以,光波導在太赫茲區(qū)域的設計和使用仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。在此,我們將探討使用石墨烯來制造太赫茲波段光波導的可能性。
　　石墨烯是一種新型的納米結構,有單層和多層之分,其晶格結構中碳原子呈六角形分布。因為具有優(yōu)良的導電特性和導光性能,石墨烯正在取代傳統的銦錫氧化物電極使用在液晶顯示器和有機電激光顯示器上,人們發(fā)現它不僅價格低廉而且效果更佳。最近,由于石墨烯在紅外區(qū)域具有極好的導電特性和光

3、傳輸性能,石墨烯又被用在紅外波段的光電器件中?？紤]到石墨烯的折射率較小而且不同的電介質結構對于光波導的性能有重大影響,因此我們想探究一種新的石墨烯波導結構并討論其在太赫茲波段的潛在運用。
　　在此,我們提出了一種半導體-石墨烯結構,用它可以制作成太赫茲光波導。由于石墨烯獨特的二維特性以及相對低的介電常數,使得這種結構之中在半導體-石墨烯的分界面上出現了很強的介電常數不匹配現象。通過理論計算我們得到兩個重要的結論:
　　首先,

4、當外半導體層的半徑ρ1～100μm時,其內部出現的光子模式的頻率在太赫茲波段,而且隨著外半導體層的半徑的增加,可傳輸光的頻率會降低。從而調節(jié)外半導體層的半徑即可有效改變光傳輸的頻率。
　　其次,數值計算還表明當傳播常數41zk>3×10m?時,色散曲線大致是線性的。所以,在這種半導體-石墨烯結構中,由于群速度不同而導致的色散非常小。
　　正是這種很弱的光脈沖的加寬使得這種半導體-石墨烯結構具有極好的遠距離的光傳輸性能,從而可