涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线的模式分析

设计了一种涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导.在椭圆柱坐标系中,借助于Mathieu函数和坐标变换,采用多极方法对波导所支持的6个最低阶模式进行了研究,并分析了这些模式的特性与工作波长、石墨烯费米能以及波导结构参数之间的依赖关系.结果表明,调节波导的工作波长、石墨烯的费米能及纳米线之间的间距,可大幅度调节这些模式的特性.调节纳米线的半长轴及半短轴,可以微调这些模式的特性.在两种条件下,通过比较涂覆石墨烯的单根椭圆电介质纳米线、对称椭圆电介质纳米并行线与非对称椭圆电介质纳米并行线所支持的基模的性能,发现本文所设计的波导的性能优于其他两种波导.本文的研究工作可以为涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导的设计、制作及应用提供理论基础.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种由椭圆形金属和介质纳米线组成的混合表面等离子体光波导的基模控制特性研究

本文研究了一种由三根并排放置的椭圆形金属-介质-金属纳米线构成的混合表面等离子体光波导所支持的电磁场基模的控制特性,中间是高折射率的介质纳米线,左右是两根对称放置的金属纳米线。研究结果表明,基模电磁场增强效应主要分布在三根纳米线形成的两个间隙区域,且对整个结构的几何参数有一定依赖性。因此,通过改变纳米线的几何尺寸、两根纳米线之间的间距以及介质的电磁参数,可以调整和控制这种波导所支持的基模的有效折射率、模式传输距离、归一化的模式面积和模式束缚因子等物理特性。基于这些有效的模式操控特性,这种混合型的表面等离子体光波导可以应用于高密度光子器件集成、纳米光子学和生物传感器等领域。     

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。     

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。     

深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究

本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜 复合结构的表面等离子体纳米激光器, 并给出了理论研究和仿真分析. 这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合, 从而使场增强效应得到显著提高. 同时通过数值仿真研究, 得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律, 表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束, 同时保持低损耗传输和高场强限制能力. 通过最优化选择, 最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸. 关键词： 表面等离子体 混合等离子体波导 纳米激光器     

混合表面等离子体激元的纳米激光器设计

为了实现纳米激光器的性能优化,设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能,从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下,分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律,通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明：该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低,其中归一化面积最小可达到0.004 8,有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明,该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550 nm的工作波长下可以实现较为出色的调制性能,其3 dB调制带宽高达250 GHz,调制深度和功耗分别高于0.15 dB/μm和低于11.5 fJ/bit,该调制器可为新一代高性能集成电光调制器的开发提供设计思路.     

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。     

蝴蝶形中空表面等离子体波导的传输特性

本文设计了一种蝴蝶形中空表面等离子体波导,并对其传输特性进行了研究.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参数和工作波长的变化关系进行了分析.结果表明:沿纵向的能流主要分布在由四个圆洞所构成的上下两个尖角之间的区域,且越接近尖角,沿纵向的能流越大.对中空圆洞的半径、上下两排圆洞圆心间横向距离和左右两列圆洞圆心间的纵向距离进行调节,模式的有效折射率、传播长度和模式面积也随之变化.在工作波长确定的条件下,相对于b=r/4的情况来说,当b=r/2时,上下两个尖角之间的距离较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率就较大,传播长度也较大.在几何参数确定的条件下,相对于λ=705.0 nm的情形来说,在λ较大时,场的分布范围较大,场与金属表面的接触面积较大,场与金属的相互作用较弱,有效折射率较小,传播距离较长.与由两个和三个空心圆柱构成芯区的表面等离子体波导相比较,蝴蝶形中空表面等离子体波导具有良好的传输特性.如果在波导结构中心填充增益介质,可以克服较大的传播损耗,因此这种蝴蝶形中空表面等离子体波导可以用于光子器件集成领域和传感器领域.     

无源空心波导谐振腔横模模式的竞争与转换

本文提出并采用非对角化的分析法研究无源空心波导谐振腔横模模式间的竞争与转换。从计算EH_(1m)类波导本征模在腔内的转换矩阵中发现:在模式的传输过程中,存在着横模模式间的相互转换,而且其互换的能量不相等。在一定的腔设计条件下,会出现高阶横模向低阶横模的能量净流动,这有利于谐振腔横模模式的选择和基模输出功率的提高。     

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在1180–1760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm×125 μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.     

基于银纳米链的马赫-曾德干涉仪结构的生物传感器

优化了一种基于表面等离激元银纳米链的马赫-曾德干涉式传感结构.该结构由参考臂、传感臂及纳米线波导构成.纳米线波导由银纳米线包裹一定厚度的硅来构成.引入两条银纳米链分别作为马赫-曾德干涉仪的参考臂和传感臂,并研究所设计结构的传输特性,通过降低传输损耗以提高所设计结构的精确度与灵敏度.相比于两条完全相同的银纳米线作为参考臂和传感臂的情况,在参考臂和传感臂改为银纳米链后,传输特性有明显提高,单位长度损耗明显降低.这是由于银纳米链中的单元结构之间的长程/库仑相互作用增强了结构中的电磁场,进而降低了传输损耗.将两条银纳米链的晶格常数设置为不同的情况,研究发现,在特定的银包硅纳米线的宽度与某些占空比下,含有非对称的银纳米链结构的单位传输损耗小于含有对称的银纳米链结构.由此可以知道,具有小损耗的银纳米颗粒链可以弥补大损耗的银纳米颗粒链的传输损失.利用这个特点,进一步优化设计结构,将一侧银纳米链改为纳米线.改变另一侧银纳米链的晶格常数与占空比,可以发现大多数情况下,这类结构传输特性优于含有两条银纳米链以及含有两条银纳米线的结构.本文的设计结构可以大幅减小传统的马赫-曾德干涉仪的传输损耗,且在结构的制备...