介质光栅耦合石墨烯等离激元结构的太赫兹慢光特性研究

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太赫兹波通信具有传输容量大、速度快、保密性高的优点,成为行业的研究热点,但在信息存储与处理方面的技术一直不够完善。慢光技术可以执行可控光延迟和全光缓存,是实现太赫兹通信的重要基础。目前通过构造波导和光子晶体结构,可以实现太赫兹慢光,但在慢光特性的主动调控方面有所不足。石墨烯作为电导率可调的新型二维材料,具有优异的电调谐特性,是设计动态调控器件的理想选择。特别是在太赫兹波段,利用不同构型的石墨烯等离激元结构杂化耦合来产生慢光效应,是解决太赫兹波的可调控慢光器件问题的一个有效途径。本文对连续层石墨烯、石墨烯条带阵列、石墨烯条带耦合石墨烯层的混合结构进行仿真,数值研究太赫兹波段的等离激元共振特性。连续层石墨烯的太赫兹传输谱中不存在共振峰,很难直接被入射波激发。石墨烯条带阵列表现出共振透射效应,其共振频率可以通过改变石墨烯条带的结构周期和费米能级进行调控。当石墨烯条带和连续层石墨烯耦合时,透射光谱可产生类电磁诱导透明窗口。连续层石墨烯的表面等离激元被石墨烯条带的局域等离激元近场激发,通过近场反相位相干耦合作用,产生等离激元诱导透明效应。恰当地引入介质光栅,可以高效率地激励石墨层的表面等离激元极化波,产生石墨烯表面等离激元共振传播,且可以通过光栅几何结构参数和石墨烯费米能级进行调控。引入间隔层来调节光栅石墨烯层与石墨烯条带阵列的耦合距离,其耦合作用强度与间隔层厚度呈现反比关系。结合石墨烯费米能级的调节,可以改变杂化体系的等离激元诱导透明谱,产生不同程度的失谐,进而控制相位延迟与色散关系。数值研究了介质光栅耦合石墨烯等离激元杂化体系的太赫兹慢光特性。降低太赫兹波脉冲传播速度的有效方法,是在保持信号低损耗传输基础上,增强介质折射率的反常色散效应。等离激元诱导透明效应,可以在保持介质透明的条件下使折射率色散曲线产生剧烈的反常变化,是获得太赫兹慢光传输的有效方法。讨论了介质光栅耦合石墨烯杂化体系的等离激元诱导透明机理,分析了连续层石墨烯的表面等离激元共振和石墨烯条带阵列的局域等离激元共振机制。介质光栅补偿了石墨烯等离激元的波矢失配,使石墨烯表面等离激元和局域等离激元共振模式均可由入射波直接高效地激发出来,通过亮模-亮模的近场相干耦合,在共振频率处引起等离激元诱导透明效应。讨论了介质光栅耦合石墨烯杂化体系的相移、光延迟和群折射率等参量随几何结构的变化关系,可以实现的最大光延迟为0.22ps,最大群折射率为177。所设计的介质光栅耦合石墨烯杂化体系既具有高效率激发的特点,同时可以借助外加栅极电压,独立调节相干耦合作用的两个等离激元共振模式,进而获得可调控的太赫兹慢光传输,在太赫兹波的慢光技术和光延迟器件方面有潜在的应用前景。
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