女赫兹石墨烯表面等离激元二维光子晶体器件研究

论文摘要

石墨烯表面等离激元(SPP)具有很强的表面束缚特性,在太赫兹和中红外波段(MIR)损耗控制以及电调谐等方面同贵金属相比具有很大优势。结合二维光子晶体的周期结构,可以设计出许多新颖的渐变折射率器件和电重构器件。本文主要研究了太赫兹石墨烯SPP的传输特性,提出了一种点密度渲染(DDR)偏置结构,在此基础上设计了一系列太赫兹波段的二维(准)光子晶体器件。1)提出了一种新型的点密度渲染偏置结构。在石墨烯SPP器件的已有研究中,偏置电极结构对石墨烯SPP传输引入的误差较少被关注。本文讨论了由石墨烯偏置结构带来的偏置图样变形问题,即“软边界”效应。为此,本文提出了一种新型的点密度渲染结构,该结构使用高折射率的点在低折射率区域中的密度渐变来模拟渐变折射率,从而有效克服“软边界”效应,同时增加了设计的灵活度,降低了加工精度要求,提升了石墨烯SPP器件的性能。2)提出了一种新型的基于DDR结构的慢光波导。本文比较了不同晶格之间的慢光特性,最终选取45°晶格构建线缺陷慢光波导,并讨论石墨烯材料色散对慢光特性的影响。通过优化结构参数,在单模条件下找到了第一禁带内的最大归一化延迟带宽积(NDBP)结构。同时,本文研究了石墨烯SPP慢光波导的电调谐特性,并讨论了该慢光波导作为光缓存器件的优势。3)提出了一种基于DDR结构的波分复用器。本文通过研究石墨烯SPP光子晶体波导耦合结构的频率响应,分析了该结构的波分复用数目上限,并结合传输损耗的情况,设计了四频率波分复用器。相比于传统的波分复用器,该结构具有尺寸小、集成度高以及连续的电调谐特性。4)研究了基于DDR结构的渐变折射率器件。本文通过研究石墨烯在高损耗状态下对SPP波的吸收特性,提出了一种基于DDR渐变折射率结构的太赫兹波段电磁篱笆,可以实现对石墨烯SPP器件的宽带隔离。同时本文也研究了 DDR结构中点密度对SPP传输特性的影响,并总结了 DDR结构的点密度设计准则,在此基础上设计实现了龙伯透镜和麦克斯韦透镜。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 微纳光子学和电磁超表面的研究

1.2 表面等离激元波

1.2.1 表面等离激元研究背景

1.2.2 表面等离激元波的原理

1.2.3 表面等离激元波的激发和调控

1.3 石墨烯SPP研究现状

1.3.1 石墨烯SPP激发

1.3.2 石墨烯SPP传输和辐射

1.3.3 石墨烯SPP调控

1.4 本文主要研究内容和章节安排

2 石墨烯SPP调控结构与原理

2.1 石墨烯SPP传输原理

2.1.1 石墨烯电特性模型

2.1.2 石墨烯电特性的连续调节

2.2 石墨烯SPP调控结构

2.2.1 等效折射率连续渐变

2.2.2 等效折射率离散渐变

2.2.3 等效折射率面积加权

2.2.4 “软边界”效应

2.3 本章小结

3 石墨烯慢光波导

3.1 引言

3.1.1 慢光技术

3.1.2 二维光子晶体能带理论

3.2 慢光波导

3.2.1 光子晶体线缺陷波导

3.2.2 石墨烯光子晶体线缺陷慢光波导

3.2.3 参数优化研究

3.2.4 石墨烯慢光波导连续电调特性

3.2.5 慢光波导作为光缓存器的性能分析

3.3 本章小结

4 石墨烯波分复用器

4.1 引言

4.1.1 波分复用技术

4.1.2 光子晶体线缺陷波导耦合理论

4.1.3 有限元法

4.2 波分复用器

4.2.1 线缺陷波导盲端耦合结构

4.2.2 耦合式波分复用器设计

4.2.3 波分复用器电重构特性

4.3 本章小结

5 石墨烯渐变折射率结构研究

5.1 引言

5.1.1 变换光学理论

5.1.2 实现渐变折射率的方案

5.2 电磁篱笆

5.2.1 电磁黑洞的等效折射率分布推导

5.2.2 线状电磁篱笆

5.2.3 环状电磁篱笆

5.2.4 组合电磁篱笆

5.3 渐变折射率透镜

5.3.1 DDR龙伯透镜设计

5.3.2 DDR麦克斯韦透镜设计

5.4 本章小结

6 总结与展望

作者简历及在学期间所取得的科研成果

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭翔

导师: 吴锡东

关键词: 石墨烯,表面等离激元,太赫兹,二维光子晶体,渐变折射率器件

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 浙江大学

分类号: O572.31;TN60

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000040

总页数: 118

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