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.     

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。     

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。     

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线波导的模式特性分析

采用多级展开方法,对涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线波导的模式特性进行了分析.首先对这种波导中的表面等离子模式进行分类,然后对七种低阶模式的有效折射率和传播长度随工作频率、几何结构参数和石墨烯费米能的依赖关系进行详细的分析.结果表明,通过改变工作频率、几何结构参数和石墨烯的费米能,可以在较大范围内调节模式的特性.与有限元法进行的对比表明,基于多级方法的半解析结果与有限元法的数值结果非常符合.研究结果可为涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线的设计和制作提供一定的理论基础.     

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.     

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

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.     

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。     

非线性介质的表面等离子体波导设计和优化

设计了一种基于非线性介质Si-NC/SiO2的混合表面等离子体波导,利用有限元方法定量分析了这种波导所支持基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和有效面积与几何结构参数以及非线性介质的依赖关系.分析结果表明,光场主要被限制在非线性区域,通过调节非线性层的厚度以及非线性比例因子,可以实现模式的有效折射率和传播长度等传输特性参数的调节.固定非线性介质比例因子,有效折射率和传播距离随非线性层厚度增加而增大;固定波导尺寸,有效折射率随比例因子增大而增大,传播距离和有效面积较小.最后,根据分析结果对非线性效应进行优化,优化后波导最优结构尺寸为波导宽度为250nm,非线性材料层厚度为100nm,硅层厚度为150nm.     

基于银纳米线的类熊猫型微结构光纤传感器

设计了基于银纳米线等离子体共振效应的大孔径微流通道的类熊猫型微结构光纤传感器,采用全矢量有限元法对该传感器进行了数值研究,讨论了待测液折射率等参数对光纤传感器的损耗和灵敏度的影响。结果表明:随着待测液折射率和银纳米线直径的增大,损耗和光谱峰值λpeak都将增大;并且当银纳米线的直径增加到一定程度时,损耗和灵敏度都会呈现多峰值现象。最后取银纳米线直径d=150 nm,得到最大幅度灵敏度为910 dB/RIU,最大光谱灵敏度为1 400 nm/RIU。     

基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的等离子体诱导透明效应

为了减小器件尺寸、实现超快速响应和动态可调谐,研究了基于石墨烯纳米条波导边耦合矩形腔的单波段和双波段的等离子体诱导透明(PIT)效应,通过耦合模式理论和时域有限差分法从数值计算和模拟仿真两方面分析了模型的慢光特性.通过调节石墨烯矩形腔的化学势,同时实现了单波段、双波段PIT模型的谐振波长和透射峰值的可调谐性.当石墨烯的化学势增加时,各个波段PIT窗口的谐振波长逐渐减小,发生蓝移.此外,通过动态调谐石墨烯矩形腔的谐振波长,当石墨烯矩形腔的化学势为0.41—0.44 eV时,单PIT系统的群折射率控制在79.2—28.3之间,可调谐带宽为477 nm;当石墨烯矩形腔1, 2, 3的化学势分别为0.39—0.42 eV, 0.40—0.43 eV, 0.41—0.44 eV时,双PIT系统的群折射率控制在143.2—108.6之间.并且,整个系统的尺寸小于0.5μm~2.研究结果对于超快速、超紧凑型和动态可调谐的光传感、光滤波、慢光和光存储器件的设计和制作具有一定的参考意义.     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.     

领结形中空表面等离子体波导的传输特性

设计了一种领结形中空表面等离子体波导.采用频域有限差分法,对这种波导所支持的基模的能流密度分布、有效折射率、传播长度和模式面积随几何结构参数和工作波长的依赖关系进行了分析.结果表明,沿纵向的能流主要分布在两个上下突起所形成的中间区域.通过调整几何参数及工作波长,可以调节模式的有效折射率、传播长度和模式面积.在工作波长确定的条件下,有效折射率随突起半径的增大呈减小趋势,而传播长度和模式面积则随着突起半径的增大呈增大趋势,四个角上的圆弧半径对波导的传输特性有微调作用,左右扇形区域的半径对波导的传输特性有较明显 关键词： 集成光学 光波导 表面等离子体波导     

沟道长度和宽度对石墨烯场效应晶体管电荷输运的影响

本文基于理论的方法研究了沟道长度和宽度对石墨烯场效应晶体管中大信号和小信号参数的影响. 在快速饱和及高特征频率条件下，石墨烯场效应晶体管均表现出优异的性能. 从传递曲线可以看到，随着沟道长度从440 nm变到20 nm，产生了一个从0.15 V 到0.35 V的狄拉克点正偏移，同时也揭示了石墨烯的双极特性. 而且，由于沟道变宽及漏电流增加，当沟道宽度为2 μm和5 μm时，相应的最大电流为2.4 mA和6 mA. 另外，还在石墨烯场效应晶体管中观察到了几乎对称的电容-电压特性，电容会随着沟道变短而减小，但另一方面电容又可以通过沟道展宽来增加. 最后，在沟道长度为20 nm处获得了一个6.4 mS的高跨导，在沟道宽度为5 μm处获得的跨导值为4.45 mS，特征频率为3.95 THz.     

基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器

太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件,被广泛应用于生物医学传感、电磁隐身、军用雷达等多个领域。但这种传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、功能单一、性能指标不足等缺点,已经无法满足复杂多变的电磁环境的要求,因此可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点。为实现超材料吸收器吸收特性的调谐,通常从调节谐振单元或基底材料的电磁特性或调节超材料结构单元的几何尺寸两个方面出发。设计了一种基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器。该吸收器由工字型二氧化钒谐振层、连续石墨烯层和被Topas介质隔开的金属反射层组成。数值模拟结果表明,当二氧化钒材料处于全金属状态（电导率为200 000 S·m-1）且石墨烯的费米能级设为0.1 eV时,吸收率超过90%的吸收带宽达到了2.8 THz。通过调节石墨烯的费米能级,使其在0.1～0.3 eV之间变化时,该吸收器的工作频率发生了明显的蓝移。由于二氧化钒材料从绝缘状态到金属状态的相变特性,通过控制电导率使其在100～200 000 S·m-1之间变化时,所提出的宽频结构在反射器和吸收器两种工作状态之间自由切换。此外,还分别监测了该超材料吸收器在1.87,3.04和4.16 THz三个完美吸收峰处的表面电流分布,讨论了其工作机理。所设计的结构通过石墨烯和二氧化钒两个独立可调“开关”实现了对吸收器工作频率和吸收振幅的双重控制,为设计多功能太赫兹器件提供了新的发展思路。     

InSb纳米晶体的生长和吸收光谱的研究

采用在惰性气体中蒸发的方法获得了沉积在ZnS基片上的InSb纳米晶体,其平均尺寸随惰性气体的压强增加而增大.从实验测量的室温吸收谱上看到,当纳米晶体的平均直径从27.9 nm减小到24.2nm再到21.4 nm时,其吸收边分别向高能方向移动了0.0151 eV和0.0145 eV.用有效质量近似模型计算了半导体纳米晶体的吸收边相对其体材料的移动,将理论计算与实验结果进行了比较.     

基于一维随机硅光栅的石墨烯表面等离子体安德森局域

提出了一种中红外波段下探究表面等离子体在石墨烯与硅光栅混合结构中传输安德森局域的方法.在石墨烯片下设计一维随机硅光栅结构来实现石墨烯表面等离子体随机硅光栅.通过调节石墨烯的费米能级来改变由硅光栅的无序引起的石墨烯表面等离子体安德森局域的共振波长.当费米能级是0.6eV时,局域石墨烯表面等离子体在随机硅光栅结构中的场强强度比在周期性硅光栅结构中大70倍.该结构有望应用于可调集成滤波器,宽带调制器以及等离子体传感器等.