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。     

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。     

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.     

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     

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.     

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.     

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。     

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

深亚波长束缚的石墨烯混杂等离激元波导

研究了一种石墨烯-V型槽混杂等离激元波导，分析了系统几何参数和石墨烯化学势对该混杂结构所支持的基态混杂等离激元模式特性的影响。通过增加凹槽尺寸和减小石墨烯化学势可以有效地压缩混杂模式的有效面积，与无凹槽结构相比，所提结构的有效模场面积降低了2个数量级，虽然其传输距离变短，但是品质因子（FoM）提高了34.5%～88.5%。分析了2个并排放置的石墨烯-V型槽混杂等离激元波导之间的串扰，通过优化几何尺寸和调节石墨烯化学势，两波导之间无串扰的最小距离可以减小到22μm。本研究将为动态可调的太赫兹亚波长波导的研制和性能优化提供理论参考。     

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.     

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.     

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     

双椭圆纳米金属棒构成的表面等离子体波导的传输特性分析

设计了一种双椭圆纳米金属棒表面等离子体波导,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、有效折射率和传播长度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椭圆金属棒所形成的中间区域,且越靠近金属棒的弧形边,沿纵向的能流越大.通过调节两个金属棒的中心距离以及它们的两个半轴的大小,可以调节模式的有效折射率和传播长度.在工作波长确定的条件下,相对于a=b的情形来说,在a<b时,场与金属表面接触的面积较大,场 关键词： 集成光学 光波导 表面等离子体波导     

TE0导模干涉刻写周期可调亚波长光栅理论研究

通过棱镜耦合激发非对称金属包覆介质波导结构中的TE₀导波模式, 利用两束TE₀模的干涉从理论上实现了周期可调的亚波长光栅刻写. 分析了TE₀模式的色散关系, 刻写亚波长光栅的周期与激发光源、棱镜折射率、光刻胶薄膜厚度及折射率之间的关系. 用有限元方法数值模拟了金属薄膜、光刻胶薄膜和空气多层结构中TE₀导模的干涉场分布. 研究发现, 激发光源波长越短, TE₀ 模干涉刻写的亚波长光栅周期越小; 光刻胶越厚, 刻写的亚波长光栅周期越小; 高折射率光刻胶有利于更小周期亚波长光栅的刻写. 相较于表面等离子体干涉光刻, 基于TE₀ 模的干涉可在厚光刻胶条件下通过改变激发光源、棱镜折射率、光刻胶材料折射率、特别是光刻胶薄膜的厚度等多种方式实现对亚波长光栅周期的有效调控.     

K-Na离子交换单模平面波导的制备及其表征

通过K-Na离子交换技术制备了多模玻璃平面波导.采用棱镜耦合技术测量了波导的有效折射率,用IWKB方法拟合得到K-Na离子交换波导的折射率分布符合高斯分布,由色散曲线得到单模波导的制备条件(即扩散深度范围),从而得出单模波导的离子交换时间范围,制备出单模波导,并通过求解WKB色散方程得出单模波导的表面折射率.用普通数码相机,通过对离子交换平面玻璃光波导传输线进行数字成像,根据传输线上的光强分布拟合出光强传输衰减曲线,计算出单模波导的传输损耗大约为0.4 dB/cm.     

一种基于不平坦基底结构的混合等离子体波导

提出了一种工作于太赫兹波段的、基于半圆柱形"不平坦"InSb基底结构的混合等离子体波导.分析了半导体材料InSb的相对介电常量随工作频率的变化特性,重点研究了该混合波导以及两种不同形变结构的有效模场面积、传播长度、品质因数、能量分布等随波导工作频率、波导尺寸的变化情况.结果表明,本文提出的"不平坦"基底结构波导可以达到与传统结构几乎相同的传播长度,有效模场面积较传统结构减小了一个数量级以上,具有非常强的模场约束性,适合于太赫兹频段高密度集成电路中的应用.