一种调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能的方法

技术领域

本发明涉及等离激元亚波长传输和聚焦领域，尤其涉及一种调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能的方法。

背景技术

随着对表面等离激元研究的不断深入，研究人员发现传统贵金属等离激元存在诸如中远红外波段光场局域特性差、性能不可调控等问题。因此，探寻新型等离激元材料显得尤为重要。近年来，研究人员开拓了一些列新型等离激元材料，如透明导电氧化物、氮化物、石墨烯、二硫化钼、狄拉克半金属等。上述材料中如石墨烯，其不仅能激发具备强光场局域的等离激元模式，同时性能可调。石墨烯是一种新型单原子层二维材料，其能带结构中价带和导带在狄拉克点，即禁带宽度为零。在可见光波段，单层石墨烯光吸收率仅为2.3％。特别地，光吸收率可以通过改变费米能级进行调控。因上述独特的电学和光学特性，基于石墨烯的光电器件展现出优异的应用前景，并吸引了大量科研人员的关注。近期的理论和实验研究均表明石墨烯可激发红外波段等离激元模式，且具有独特的等离激元特性，如强场局域和可调谐性。随后，有关石墨烯等离激元研究如雨后春笋般涌现，并推动其在高性能光子器件的应用，如调制器、纳米波导、光电探测器、偏振器、耦合器、光开关等。

作为亚波长光子集成的重要组成部分，石墨烯等离激元纳米波导更是受到广泛关注。目前研究人员提出多种涂覆石墨烯层的圆形纳米线(Graphene-coated nanowire,GNW)的混合等离激元波导，值得注意的是，现有技术中公开了基于三角形介质衬底的圆柱形GNW结构，将模式场面积减小至～10

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种调控石墨烯-介质纳米线混合波导结构亚波长传输性能的方法，与同类型的结构相比，本发明的石墨烯-介质纳米线混合等离激元波导结构在相同参数下具有更高的品质因数和更优的模式场约束特性。

本发明的目的之二在于提供上述方法得到的石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构。

本发明的目的之三在于提供上述方法得到的石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的应用。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能的方法，所述波导结构包括涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线、圆形Si纳米线、所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线与所述圆形Si纳米线形成的间隙区域；

其中，所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的圆角半径为r；

所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的三角形顶角为θ；

所述圆形Si纳米线的半径为R；

所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线与所述圆形Si纳米线形成的间隙区域距离为h

通过调控所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的圆角半径r、所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的三角形顶角θ、所述圆形Si纳米线的半径R、所述间隙区域距离h

进一步地，所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的三角形顶角θ为锐角。

进一步地，所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的圆角半径r为2～10nm；所述圆形Si纳米线的半径R为20～100nm。

进一步地，所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线为将单层石墨烯涂覆在在相对介电常数为2～12的三角形介质纳米线上；所述三角形介质纳米线为Si纳米线。

进一步地，所述圆形Si纳米线的相对介电常数为12.25。

进一步地，所述单层石墨烯的费米能级为0.4～1.4eV。

进一步地，所述间隙区域的填充介质为SiO

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

由上述方法制备得到一种石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构。

本发明的目的之三采用如下技术方案实现：

石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的应用，所述石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构可用于制备波导集成型等离激元光器件。

进一步地，所述波导集成型等离激元光器件为调制器、滤波器或谐振器等光子器件。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种调控石墨烯-介质纳米线混合波导结构亚波传输性能的方法，将涂覆石墨烯层的三角形介质纳米线与圆形Si纳米线相结合，其得到的混合波导结构具有较强的光场约束性能。三角形GNW优异的尖端聚焦效应，使得随着顶角θ的减小，石墨烯与光相互作用面积减小，降低了损耗，同时使得波导中基模的模式场面积也减小。本发明得到的石墨烯-介质纳米线混合波导结构在局部突破了表面等离激元模式中传输损耗和模场约束之间的制约关系。在光波频率为20～40THz内，本发明设计得到的波导中基模归一化模式场面积在～10

本发明还提供了由上述方法得到的石墨烯-介质纳米线混合波导结构及其应用，利用Si波导周边倏逝波增强石墨烯-光相互作用，形成波导集成型石墨烯等离激元光器件。这一举措不仅提升了石墨烯波导性能，且与硅光子技术相兼容，有望应用于波导集成型等离激元光器件，如调制器、耦合器等。

附图说明

图1为本发明实施例石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的三维和二维截面示意图；

图2为本发明实施例不同参数下石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构中基模归一化电场分布图；

图3为本发明实施例不同角度θ对应石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构等离激元模式传输特性随间隙距离h

图4为本发明实施例石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构中等离激元模式传输特性在不同圆角半径r下随衬底圆形Si纳米线半径R的变化曲线；

图5为本发明实施例不同频率下石墨烯-介质纳米线等离激元波导亚波长传输性能随石墨烯费米能级E

图6为本发明实施例不同波导结构及其结构中基模场分布图；

图7为本发明实施例不同波导结构的亚波长传输特性对比图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例

一种调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能的方法及通过该方法得到的石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构，所述波导结构包括涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线、圆形Si纳米线、涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线与圆形Si纳米线形成的间隙区域；其中间隙区域的填充物质为SiO

其中涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线为将单层石墨烯涂覆在相对介电常数为2～12的三角形介质纳米线上；三角形介质纳米线为Si纳米线。

圆形Si纳米线的相对介电常数为12.25。

其中，涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的圆角半径为r；

涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的三角形顶角为θ；

圆形Si纳米线的半径为R；

所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线与所述圆形Si纳米线形成的间隙区域距离为h

通过调控所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的圆角半径r、所述涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线的三角形顶角θ、所述圆形Si纳米线的半径R、所述间隙区域距离h

下面通过实施例及附图解释石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的亚波长传输性能的调控过程及调控原理。

图1为本发明石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的三维和二维截面示意图。图中所示本发明所设计的石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构由涂覆单层石墨烯的三角形介质纳米线和圆形Si纳米线波导组成，其中间隙区域填充SiO

式中：T为绝对温度；k

根据研究，石墨烯载中流子浓度n

为研究石墨烯-介质纳米线等离激元波导亚波长传输性能，假设等离激元模式沿z方向传播，电场按exp(iβz)exp(-iωt)变化，其中传播常数β＝k

图2为不同参数下石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构中基模归一化电场分布图。其中图2a～图2d展示了不同参数下石墨烯-介质纳米线混合波导结构中基模归一化电场分布，其中参数设置f＝30THz，E

由于场值最大位置石墨烯层表面，故建立如图1b所述的坐标体系。从图2e和图2f可以看出，从x方向来看，h

图3为不同角度θ对应石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构等离激元模式传输特性随间隙距离h

图3b、图3c的数据表明，随着θ减小，传输距离增大的同时模式场面积减小，表明该结构在局部突破了表面等离激元模式中传输损耗和场约束之间的制约关系，即实现模式损耗降低的同时减小了模场面积。这是因为θ减小时，石墨烯与光相互作用区域面积减小，且尖端聚焦效应更为显著。由图3d可知，品质因数Q随着h

图4所示为本发明实施例石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构中等离激元模式传输特性在不同圆角半径r下随衬底圆形Si纳米线半径R的变化曲线，其中参数为f＝30THz，E

本发明还研究了石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构的三角形介质纳米线介电常数ε

表1不同三角形介质纳米线介电常数下得到的波导性能

图5所示为不同频率下石墨烯-介质纳米线等离激元波导亚波长传输性能随石墨烯费米能级E

作为对比，现有技术的结构如Wu D,Tian J,Yang R.Study of modeperformances of graphene-coated nanowire integrated with triangle wedgesubstrate[J].Journal of Nonlinear Optical Physics&Materials,2018,27(02):1850013的波导结构B如图6a所示，该结构采用圆形GNW和三角形Si纳米线组成，与本发明的波导结构(记为波导结构A)由三角形GNW和圆形Si纳米线组成不同。图6b分别展示了两种波导结构在h

本发明进一步对比了波导结构A和B的亚波长传输特性。如图7所示，四条点线数据点从右到左依次对应f＝20，22，24，…40THz，其他参数同图6b。两种不同的波导结构间隙距离h

综上，本发明提供的一种调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波传输性能的方法，其得到的等离激元波导结构具有较强的光场约束性能。三角形的GNW优异的尖端聚焦效应，使得随着顶角θ的减小，导致石墨烯与光相互作用面积减小，降低了损耗，进一步使得波导磨损耗降低的同时模式场面积也减小。本发明得到的石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构在局部突破了表面等离激元模式中传输损耗和模场约束之间的制约关系。在20～40THz内，本发明设计得到的波导中基模归一化模式场面积在～10

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。