涂覆石墨烯的并行电介质纳米线中的模式分析

采用多极方法对涂覆石墨烯的并行电介质纳米线中的模式特性进行了解析分析,详细研究了工作频率、电介质纳米线的几何结构参数和石墨烯的费米能对模式的有效折射率和传播长度的影响。结果表明,通过改变工作频率和石墨烯的费米能可以便捷地调节模式特性。此外,纳米线的半径或间距小于50nm时,对模式特性有调节作用;然而,当这两个参数继续增大时,它们对模式特性的影响逐渐减小。对比显示多极方法的解析结果与有限元法的数值结果非常吻合。     

涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质波导的模式特性

设计了一种涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导.采用多极方法得到了波导所支持的最低阶的3个模式的传输特性,即场分布、有效折射率的实部、传播长度和品质因数.结果显示:最低阶的3个模式都可由涂覆石墨烯的单根圆柱和椭圆柱所支持的最低阶模式合成.通过改变波导的结构参数,即圆柱的半径、椭圆柱半长轴、椭圆柱半短轴及两柱之间的最小间距,可以在一定程度上调节模式的传输性能.然而通过增大工作波长、费米能以及减小椭圆形电介质纳米线的介电常数,可以明显改善模式的传输性能.文中还与涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的圆形电介质纳米线波导进行比较,可以发现本文所设计的波导具有更优的传输性能.这些结果都得到了有限元方法的验证.本文设计的波导可以为涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导的设计、制作及应用提供理论基础.     

基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导的模式特性分析

研究了一种基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导,采用多极方法对这种波导所支持的5种低阶模的有效折射率的实部和传播长度进行了解析分析.结果表明,通过改变工作频率、中间纳米线半径、纳米线之间的间距以及石墨烯的费米能,可以有效地调节波导的模式特性.当工作频率从30 THz增加到40 THz时,这些模式的有效折射率的实部增大,传播长度减小,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当中间纳米线的半径从25 nm增加到75 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部增大,传播长度变化各不相同.当纳米线之间的间距从10 nm增加到50 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部减小,传播长度增大,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当石墨烯的费米能从0.4 eV增加到1.2 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度增大.计算表明,多极法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本研究可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的THz波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导的模式特性分析

设计了一种涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导.采用分离变量法,在椭圆柱坐标系中,借助Mathieu函数,得到了色散方程.通过数值求解色散方程,可以得到模式的有效折射率和场分布,从而得到模式的传播长度.研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对模式特性的影响,并给出了前五个模式的品质因数.计算表明,当波长从4.3μm增加到8.8μm,这5个模式的有效折射率的实部减小,基模和一阶模的传播长度增大,二阶模的传播长度先增大后减小.当改变纳米线结构参数半长轴和半短轴时,对基模和一阶模的模式特性影响较小,对二阶模的模式特性影响较大.当石墨烯的费米能从0.45 eV增加到0.72 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度可以达到2μm左右.分离变量法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

涂覆石墨烯的三根电介质纳米线波导的模式特性

采用多极方法,通过改变工作频率、中间纳米线半径、中间纳米线高度、水平方向上纳米线之间的距离以及石墨烯的费米能,对涂覆石墨烯的三根轴心非共面的电介质纳米线波导所支持的5种低阶模的有效折射率实部和传播长度进行分析。当工作频率从30 THz增加到40 THz时,有效折射率实部增大,传播长度减小。当中间纳米线的半径从20 nm增加到55 nm时,有效折射率的实部增大,传播长度变化各不相同。当中间纳米线的高度从0增加到100 nm时,有效折射率的实部减小,除了模式5外,其他模式的传播长度都增大。当水平方向上纳米线之间的距离从160nm增加到200 nm,石墨烯的费米能从0.4 eV增加到0.8eV时,有效折射率的实部减小,传播长度增大。     

涂覆双层石墨烯的介质纳米线表面等离子体光波导的模式特性研究

设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。利用有限元法(FEM),数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积以及品质因数等模式特性的影响。结果表明,这种新型的混合表面等离子体光波导具有很强的模式束缚能力,归一化模式面积非常小,可以实现极高密度的器件集成,并且传输损耗较低。     

涂覆石墨烯的电介质纳米并行线的传输特性

设计了一种由涂覆了单层石墨烯的双椭圆电介质纳米并行线构成的表面等离子体光波导,采用有限元方法对其传输特性、电磁参数以及结构参数之间的依赖关系进行了研究。结果表明:随着椭圆的中心距离的增大,有效折射率的实部逐渐减小,传播距离先增大后减小,模式面积逐渐增大;椭圆的半短轴对有效折射率、传播距离和模式面积有微调作用;通过优化计算,减小并行线之间的距离,增加并行线的半短轴的长度,可以达到更好的传输效果;工作频率越高,有效折射率的实部越小,传输距离越短,模式面积越大;温度越高,有效折射率的实部越大,传输距离越短,模式面积越小。研究结果为基于石墨烯材料的表面等离子激元光波导的设计、制作和应用提供了理论基础。     

表面等离子体激元在涂覆石墨烯的领结型纳米线光波导中的传输特性研究

本文设计并研究了一种关于介质板对称的涂覆石墨烯的领结型纳米线波导结构,利用有限元法(FEM)对波导所支持的表面等离子体激元的传输特性进行研究。通过调整结构的几何参数和电磁参数研究了表面等离激元模式的有效折射率、模式传播长度、归一化模式面积、品质因数以及模式的场分布特性。研究发现,该结构对电磁场模式具有良好的模式束缚特性,传播长度大于2μm,归一化的模式面积接近10-5的量级,并且具有较高的品质因数。这种结构在未来微纳光电器件领域实现超紧密光学集成中具有潜在的应用前景。     

用于中红外波深度亚波长传输的石墨烯间隙等离激元波导

提出一种由石墨烯包裹的纳米线和石墨烯层构成的石墨烯间隙波导结构,并采用有限元方法对基模传输特性及其与结构参数、材料参数等的关系进行了详细研究。结果表明:纳米线半径、间隙距离、纳米线介电常数和石墨烯化学势均对模式传输特性有很大影响。通过优化参数,这种结构可以同时实现石墨烯等离激元的长距离传输和模场的深度亚波长约束。采用石墨烯等离激元实现中红外波的深亚波长传输为突破衍射极限光子器件的设计及高密度集成提供了理论基础和指导。     

纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2.     

梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

理论上研究了介质/石墨烯/介质梳状波导结构中表面等离子体的传播性质. 波导中表面等离子体模的有效折射率随着石墨烯费米能级的提高而减小, 随着介质折射率的增加而增加. 分析和仿真结果表明, 基于这种梳状波导可以在中红外波段实现新型的纳米等离子体滤波器, 器件的尺度在几百纳米的范围. 通过改变梳状分支的长度, 石墨烯的费米能级, 介质的折射率和波导中石墨烯的层数, 很容易来调节带隙的位置. 另外, 滤波带隙的宽度随着梳状分支数的增加而增加. 这种滤波性质将在可调的高集成光子滤波器件中具有潜在的应用.     

Mode characteristics of nested eccentric waveguides constructed by two cylindrical nanowires coated with graphene

A kind of nested eccentric waveguide constructed with two cylindrical nanowires coated with graphene was designed. The mode characteristics of this waveguide were studied using the multipole method. It was found that the three lowest modes (mode 0, mode 1 and mode 2) can be combined by the zero-order mode or/and the first-order modes of two single nanowires. Mode 0 has a higher figure of merit and the best performance among these modes within the parameter range of interest. The mode characteristics can be adjusted by changing the parameters of the waveguide. For example, the propagation length will be increased when the operating wavelength, the minimum spacing between the inner and outer cylinders, the inner cylinder radius and the Fermi energy are increased. However, when the outer cylinder radius, the dielectric constants of region I, or the dielectric constants of region III are increased, the opposite effect can be seen. These results are consistent with the results obtained using the finite element method (FEM). The waveguide structure designed in this paper is easy to fabricate and can be applied to the field of micro/nano sensing.     

内壁涂覆石墨烯的双椭圆中空表面等离子波导

本文设计了一种内壁涂覆单层石墨烯的双椭圆形中空表面等离子波导,采用有限元的方法对其传输特性进行了研究。结果表明,椭圆之间的距离和半短轴的长度增大时,有效折射率的实部减小,传输距离增大,模式面积减小;圆化半径增大时,有效折射率的实部增大,传输距离减小,模式面积增大;工作频率增大时,有效折射率的实部减小,传输距离减小,模式面积减小;温度升高时,有效折射率先增大后减小,传输距离减小,模式面积减小。本文的工作为研究基于石墨烯的波导器件提供了理论依据。     

基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导

提出了一种基于耦合介质纳米线的深亚波长局域波导,通过两根紧邻的高折射率介质纳米线的耦合,该波导可以将光场有效束缚在纳米线之间的低折射率纳米缝隙中. 计算模拟的结果表明,该波导的有效模场面积达到Λ²₀/200,比单根纳米线波导小一个数量级,这种深亚波长的模场束缚能力可以与表面等离激元混合波导相比拟. 计算模拟的结果还表明,纳米线可能带有的低折射率氧化膜、低折射率衬底的存在、以及纳米线间尺寸存在的一定差异对于该波导结构的实际应用都不会产生很大 关键词： 介质波导 亚波长局域 表面等离激元波导 纳米线     

石墨烯基双曲色散特异材料的负折射与体等离子体性质

基于有效介质理论研究了石墨烯/介质周期结构的电磁性质, 研究发现这种复合结构的等频面在太赫兹和远红外波段为双曲线, 可用来实现石墨烯基双曲色散特异材料. 通过改变石墨烯的费米能级、介质层厚度和单元结构中石墨烯的层数, 可很容易地调节双曲色散存在的频段. 由于等频面的双曲色散特性, 石墨烯基双曲色散特异材料在远低于截止频率的范围内, 对斜入射的电磁波具有负的能量折射率和正的相位折射率, 并支持局域体等离子体模式. 基于衰减全反射结构, 研究了体等离子体的激发, 探索了体等离子体在可调的光学反射调制器中的应用.     

Surface plasmon resonance and field confinement in graphene nanoribbons in a nanocavity

In this work, we demonstrate surface plasmon resonance properties and field confinement under a strong interaction between a waveguide and graphene nanoribbons (GNRs), obtained by coupling with a nanocavity. The optical transmission of a waveguide–cavity–graphene structure is investigated by finite-difference time-domain simulations and coupled-mode theory. The resonant frequency and intensity of the GNR resonant modes can be precisely controlled by tuning the Fermi energy and carrier mobility of the graphene, respectively. Moreover, the refractive index of the cavity core, the susceptibility χ⁽³⁾ and the intensity of incident light have little effect on the GNR resonant modes, but have good tunability to the cavity resonant mode. The cavity length also has good tunability to the resonant mode of cavity. A strong interaction between the GNR resonant modes and the cavity resonant mode appears at a cavity length of L₁ = 350 nm. We also demonstrate the slow-light effect of this waveguide–cavity–graphene structure and an optical bistability effect in the plasmonic cavity mode by changing the intensity of the incident light. This waveguide–cavity–graphene structure can potentially be utilised to enhance optical confinement in graphene nano-integrated circuits for optical processing applications.     

High-sensitive refractive index sensing and excellent slow light based on tunable triple plasmon-induced transparency in monolayer graphene based metamaterial

A patterned monolayer graphene metamaterial structure consisting of six graphene blocks and two graphene strips is proposed to generate triple plasmon-induced transparency(PIT).TriplePIT can be effectively modulated by Fermi levels of graphene.The theoretically calculated results by coupled mode theory show a high matching degree with the numerically simulated results by finite-difference time-domain.Intriguingly,the high-sensitive refractive index sensing and excellent slow-light performance ca...     

Control of the distribution of surface plasmon local field by altering the surrounding material

The field distribution of the surface plasmon (SP) around a silver nanowire greatly influences its applications for both spectrum enhancement and nano-waveguide. This paper demonstrates the change of the SP local field distribution of a silver nanowire on glass substrate with the refractive index of the covering medium by numerical simulation. The hot energy site is observed focusing on the interface between the nanowire and the surround material of larger refractive index. Moreover, we also find that the surface plasmon field becomes more confined as the refractive index between the substrate and medium has a larger gap, while a homogeneous distribution of the surrounding dielectric material around the nanowire shows a uniform local field distribution with a larger surface plasmon propagation length. The change of related parameters, such as effective index, mode area, and propagation length are also comprehensively investigated against the refractive index for nanowires with 100, 200, 300 nm diameter. Considering the wide use of polymethyl methacrylate (PMMA) material, the field distribution of silver nanowire partially imbedded in PMMA against the PMMA thickness is also studied.