基于石墨烯的可调的表面等离子体波导滤波器的理论设计

Surface Plasmon Polaritons(SPPs) break the diffraciton limit, and pave a way for the large-scale photonic integration. Recently, the research on SPPs waveguide becomes a hot spot. But, the tunable SPPs waveguide filter has not been resolved. This project proposes the tunable SPPs waveguide filter based on graphene, and the working waveband focuses on the THz and infrared. The propagation of the SPPs in graphene waveguide is depicted by finite-difference time-domain method and finite element method. By changing grid voltage of graphene, the variation of the SPPs waveguide filter can be achieved. In addition, the SPPs waveguide, based on double graphene nanoribbons, is proposed; and the tunable electromagnetically induced transparent phenomenon is investigated. We introduce the coupled mode theroy to explain the coupling and propagation of SPPs in graphene structures further, and it also provides the theoretical basis to design the SPPs waveguide filter based on graphene.

表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)能够突破衍射极限，为大规模光子集成提供了途径。近年来，关于SPPs波导方面的理论研究成为热点，但是，可调的SPPs波导滤波器一直未能得到很好的解决。本项目从理论上提出了基于石墨烯结构的可调的SPPs波导滤波器，操作波段在太赫兹和红外波段。利用时域有限差分法和有限元法进行数值计算，描绘了SPPs在石墨烯波导结构中的传输行为。通过改变石墨烯的栅极电压，最终达到改变SPPs波导的滤波窗口的目的。另外，提出了基于双纳米带结构的石墨烯SPPs波导结构，研究其中的可调的电磁诱导透明现象。我们将利用耦合模方法进一步解释SPPs在石墨烯结构中的耦合和传输行为，为设计基于石墨烯的SPPs波导滤波器提供理论依据。

近年来，表面等离子体波导由于其有亚波长局域的特点而受到广泛关注，而可调控的表面等离子体波导器件一直是一个未能解决的研究课题，石墨烯表面等离子体的研究为其提供了一个解决方法。类比电介质-金属-电介质结构中引入不同形状的金属微腔实现电磁诱导透明，我们设计出含有石墨烯片的可主动调控的表面等离子体波导结构。我们把支持表面等离子体的石墨烯单层结构类比为电介质-金属-电介质结构，石墨烯单层结构之间存在耦合。并通过改变石墨烯材料的外置电压，从而实现表面等离子体电磁诱导窗口可调的效果。在此基础上，我们还设计出了双层石墨烯片结构。通过外置电压的周期性调制实现了石墨烯表面等离子体布拉格反射器，布拉格反射器的禁带宽度和中心位置都可以通过改变外置电压进行调控。另外，我们还基于整数规划模型设计出了环形的金属-绝缘体-金属表面等离子体波分复用器。以上工作都是基于电磁仿真软件Comsol进行数值模拟。