[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种调控石墨烯‑介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能的方法，其得到的混合波导结构具有较强的光场约束性能。得益于三角形的GNW优异的尖端聚焦效应，当顶角θ减小时，导致石墨烯与光相互作用面积减小，降低了损耗，同时使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式场约束之间的制约关系。本发明不仅提升了石墨烯等离激元波导性能，且与硅光子技术相兼容，有望开发在波导集成型石墨烯等离激元器件如调制器、滤波器、谐振器等上的应用，并能够大幅降低器件的尺寸。

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^-7量级，但是这种强光场局域是以牺牲传播距离为代价得到的，如频率为30THz且石墨烯费米能级为0.8eV时该波导传输距离仅8μm。尽管近期的研究在该领域取得了一系列进展，但是如何在场约束和传输损耗之间取得更好地权衡仍然是一种挑战。

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_gap；

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_gap实现调控石墨烯-介质纳米线等离激元波导结构亚波长传输性能。