基于石墨烯的亚波长传输结构设计及性质研究

摘要

随着纳米光子学的发展，等离激元，即一种导体中的电子的集体振荡逐渐显示出了其在光子技术领域的多项应用潜力。等离激元打破了衍射极限，成功将入射光波限制在了波长尺度之下，大大减小了光学器件的尺寸，提高了器件集成度。自亚波长理论提出至今，该技术一直作为研究热点为指引光电集成的发展。而石墨烯作为21世纪的新兴二维材料，自2004年发现以来，其优越的光学性能使其一直活跃在纳米光子学以及集成光学领域。近年来，石墨烯及其相关结构所表现出的对波导中光的优越的调制性能及亚波长传输性能得到了各国研究人员的青睐。在众多已经发表的研究中，石墨烯及其基于石墨烯的各种结构不但能够实现对光的高速、高调制深度的调制，而且在亚波长传输中也占据了一席之地。同时，在超分辨成像，生物探测以及纳米能源领域中也有着巨大的应用潜力。 本论文主要从光与物质的相互作用出发，依据材料性质以及电磁波传输机制，通过Matlab以及COMSOL仿真得到了石墨烯对不同波长光的吸收能力及吸收机理。同时，将石墨烯与混合等离激元波导相结合，从传统的石墨烯光电调制器及混合等离激元波导出发，提出了新型的基于石墨烯的近红外通讯波段等离激元调制器模型并对其相关性能参数进行了仿真分析。同时，进一步研究了基于石墨烯的异质结在太赫兹波段的性质，并针对不同结构进行了研究。本论文的主要工作有以下五个方面： 1.从集成光学背景出发，并以此为引，查阅相关资料，总结传统光传输、调制器件。借此引入石墨烯，总结石墨烯在光电调制方面的性质。同时对表面等离激元波导,一种能够实现亚波长传输光的传输手段进行了相关总结。 2.对石墨烯的光电性质进行了详细描述，通过Kubo方程推导石墨烯在近红外波段的光电相应。同时，对传统的石墨烯光电调制器性质进行了总结，提出了一种计算及优化传统石墨烯光电调制器性能的方法,该方法能够较好的拟合实验结果。从经典电磁理论出发，研究金属表面等离激元的性质，对传统的混合表面等离激元波导的性能参数进行评估。 3.利用随机相位近似方法推导石墨烯等离激元的性质，探究石墨烯在近红外波段光学响应。将石墨烯与混合等离激元波导相结合，提出可以实现亚波长调制的基于石墨烯的等离激元调制器。该调制器在满足设计要求的前提下，调制深度可达0.6dB/μm。 4.探究基于石墨烯与六方氮化硼异质结的光电性质。主要研究近场激发下的表面等离激元-声子极化激元耦合模式。这种特殊的超材料的调制机理也在本文中进行了详细的研究。本文对石墨烯费米能级以及六方氮化硼厚度对耦合模的影响进行了讨论。同时，本文中设计了两种不同的耦合系统，研究不同激发模式主导的混合模式性能。 5.对于石墨烯及等离激元的相关应用及研究进行了探讨，如：基于石墨烯的太赫兹波段纳米天线，重掺杂半导体中等离激元用于能源技术及分子探测。并从近几年该领域的发展出发，展望未来一段时间内该技术的发展方向。

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