几种石墨烯表面等离子体波导器件的理论设计

Recently, suface plasmon polaritons (SPPs) waveguides attract widely attention because of subwavelength locality, but the researches of the tunable SPPs waveguide devices are always unsolvable. The studies on the graphene surface plasmon provide a method of resolution. Analogy of the Insulator-Metal-Insulator structures with micro cavities which can achieve filtering, we design active SPPs waveguide filters based on the graphene sheets and nanoribbons. We compare graphene sheets, which support the SPPs propagation, to Insulator-Metal-Insulator structures, and compare graphene nanoribbons to micro cavities. Because of the coupling between the graphene sheets and graphene nanoribbons, when the SPPs on graphene sheets couples to the nanoribbons, the filtering effects happen. By use of the tunability of the graphene conductivity, the SPPs filtering windows can be tuned. Based on the above, we introduce several graphene nanoribbons to achieve broadened filtering windows, and the tunable broadband SPPs waveguide filters. Besides, we design the double graphene nanoribbons and quasi-periodical graphene nanoribbons structures, the tunable narrow band filtering and double broadened filtering can be achieved.

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滤波，我们设计出含有石墨烯纳米带微腔的可主动调控的SPPs波导滤波器。我们把支持SPPs的石墨烯单层结构类比为电介质-金属-电介质结构，引入石墨烯的纳米带类比金属微腔。石墨烯单层结构和纳米带之间存在耦合，当石墨烯支持的SPPs完全耦合到纳米带中时，产生滤波的效应。并利石墨烯电导率的可调性，从而实现SPPs滤波窗口可调的效果。在此基础上，我们引入多个石墨烯纳米带使滤波窗口展宽，从而实现可调的宽波段SPPs波导滤波器。另外，我们还设计出双纳米带和准周期性石墨烯纳米带结构，可以实现可调的窄带滤波和双波段宽带滤波。

近年来，表面等离子体器件由于其具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。而石墨烯材料的电导率可以通过化学掺杂和门电压进行调节，从而为可调控表面等离子体器件的实现提供了一种解决方法。在该项目支持下，我们设计了几种红外波段可调的石墨烯表面等离子体器件，运用的主用手段是基于有限元算法的Comsol电磁波仿真。主要的研究成果包括:利用石墨烯纳米带复合微结构，设计出了中红外波段的滤波器和传感器，理论上研究了其可调的滤波特性和高灵敏的传感特性；提出一种复合的石墨烯层状结构，讨论了其可调的电磁诱导透明现象的产生机理；利用介质加载型的石墨烯表面等离子体波导结构，并根据多模干涉理论设计出了一种可调的红外波段分束器；利用周期性结构，构造了一维/二维的表面等离子体带隙结构。除此之外，我们在光波和近红外波段还做了大量贵金属表面支持的表面等离子体的理论研究。这方面的理论研究对研究光与石墨烯相互作用同样具有深远意义。具体工作包括：利用整数优化模型设计了几种定向激发表面等离子体的金属微纳结构；研究了金属/电介质/金属中支持的电磁诱导透明现象，在理论上发现了基于双谐振环的多电磁诱导透明效应，并利用其特殊的相位突变，设计出了多带定向激发表面等离子体的微纳器件；利用高度渐变的电介质材料，实现了无辐射损耗的表面等离子体波导弯曲和适配器；基于金属/电介质/金属结构，设计出了表面等离子体的模式转化器，完成表面等离子体模式和波导模式之间的完美转化。本项目很好的完成了既定目标，取得了丰硕的科研成果。该项目资助下，项目负责人以第一作者和通信作者身份发表SCI论文16篇。在学生培养方面也有很大收获，培养硕士生一名，指导的本科毕业生获得2015年江苏省优秀本科毕业论文一等奖一项。指导本科生获得2017年江苏省物理竞赛一等奖一项。