[發(fā)明專利]一種調(diào)控石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210524611.0
• 申請(qǐng)日: 2022-05-13
• 公開（公告）號(hào): CN114815021A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 滕達(dá);王志文;趙高;桓瓊莎;田原銘;胡雪梅;管子怡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄭州師范學(xué)院
• 主分類號(hào): G02B5/00
• 分類號(hào): G02B5/00
• 代理公司: 鄭州意創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 41138
• 代理人: 張江森

本發(fā)明公開了一種調(diào)控石墨烯?介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能的方法，其得到的混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的光場(chǎng)約束性能。得益于三角形的GNW優(yōu)異的尖端聚焦效應(yīng)，當(dāng)頂角θ減小時(shí)，導(dǎo)致石墨烯與光相互作用面積減小，降低了損耗，同時(shí)使波導(dǎo)中基模的模式場(chǎng)面積也減小。本發(fā)明得到的石墨烯?介質(zhì)納米線混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在局部突破了表面等離激元模式中傳輸損耗和模式場(chǎng)約束之間的制約關(guān)系。本發(fā)明不僅提升了石墨烯等離激元波導(dǎo)性能，且與硅光子技術(shù)相兼容，有望開發(fā)在波導(dǎo)集成型石墨烯等離激元器件如調(diào)制器、濾波器、諧振器等上的應(yīng)用，并能夠大幅降低器件的尺寸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及等離激元亞波長(zhǎng)傳輸和聚焦領(lǐng)域，尤其涉及一種調(diào)控石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能的方法。

背景技術(shù)

隨著對(duì)表面等離激元研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)貴金屬等離激元存在諸如中遠(yuǎn)紅外波段光場(chǎng)局域特性差、性能不可調(diào)控等問題。因此，探尋新型等離激元材料顯得尤為重要。近年來，研究人員開拓了一些列新型等離激元材料，如透明導(dǎo)電氧化物、氮化物、石墨烯、二硫化鉬、狄拉克半金屬等。上述材料中如石墨烯，其不僅能激發(fā)具備強(qiáng)光場(chǎng)局域的等離激元模式，同時(shí)性能可調(diào)。石墨烯是一種新型單原子層二維材料，其能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶和導(dǎo)帶在狄拉克點(diǎn)，即禁帶寬度為零。在可見光波段，單層石墨烯光吸收率僅為2.3％。特別地，光吸收率可以通過改變費(fèi)米能級(jí)進(jìn)行調(diào)控。因上述獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性，基于石墨烯的光電器件展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景，并吸引了大量科研人員的關(guān)注。近期的理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明石墨烯可激發(fā)紅外波段等離激元模式，且具有獨(dú)特的等離激元特性，如強(qiáng)場(chǎng)局域和可調(diào)諧性。隨后，有關(guān)石墨烯等離激元研究如雨后春筍般涌現(xiàn)，并推動(dòng)其在高性能光子器件的應(yīng)用，如調(diào)制器、納米波導(dǎo)、光電探測(cè)器、偏振器、耦合器、光開關(guān)等。

作為亞波長(zhǎng)光子集成的重要組成部分，石墨烯等離激元納米波導(dǎo)更是受到廣泛關(guān)注。目前研究人員提出多種涂覆石墨烯層的圓形納米線(Graphene-coated nanowire,GNW)的混合等離激元波導(dǎo)，值得注意的是，現(xiàn)有技術(shù)中公開了基于三角形介質(zhì)襯底的圓柱形GNW結(jié)構(gòu)，將模式場(chǎng)面積減小至～10^-7量級(jí)，但是這種強(qiáng)光場(chǎng)局域是以犧牲傳播距離為代價(jià)得到的，如頻率為30THz且石墨烯費(fèi)米能級(jí)為0.8eV時(shí)該波導(dǎo)傳輸距離僅8μm。盡管近期的研究在該領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，但是如何在場(chǎng)約束和傳輸損耗之間取得更好地權(quán)衡仍然是一種挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種調(diào)控石墨烯-介質(zhì)納米線混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能的方法，與同類型的結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的石墨烯-介質(zhì)納米線混合等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在相同參數(shù)下具有更高的品質(zhì)因數(shù)和更優(yōu)的模式場(chǎng)約束特性。

本發(fā)明的目的之二在于提供上述方法得到的石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的之三在于提供上述方法得到的石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的之一采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種調(diào)控石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能的方法，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線、圓形Si納米線、所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線與所述圓形Si納米線形成的間隙區(qū)域；

其中，所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線的圓角半徑為r；

所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線的三角形頂角為θ；

所述圓形Si納米線的半徑為R；

所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線與所述圓形Si納米線形成的間隙區(qū)域距離為h_gap；

通過調(diào)控所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線的圓角半徑r、所述涂覆單層石墨烯的三角形介質(zhì)納米線的三角形頂角θ、所述圓形Si納米線的半徑R、所述間隙區(qū)域距離h_gap實(shí)現(xiàn)調(diào)控石墨烯-介質(zhì)納米線等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)傳輸性能。