基于石墨烯的太赫茲波導(dǎo)器件的研究.pdf

1、近年來,人們設(shè)計了許多不同結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)來滿足各種不同的需要,如目前廣泛應(yīng)用的光子晶體波導(dǎo)。眾所周知,光子晶體是一種不匹配的電介質(zhì)周期性結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)能夠影響其中的光波傳播。它有許多獨特的光學(xué)特性,例如負折射效應(yīng),超棱鏡以及自準(zhǔn)直現(xiàn)象,這些特性使得它被廣泛的研究并且運用在通信領(lǐng)域和光波導(dǎo)領(lǐng)域。雖然光子晶體波導(dǎo)在可見光與紅外區(qū)域的理論以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了重大進步,但是由于太赫茲光波的波長較長,而目前微結(jié)構(gòu)制作的典型材料石英在太赫茲頻率范圍

2、吸收損耗較高,不適合制作太赫茲光波導(dǎo)。所以,光波導(dǎo)在太赫茲區(qū)域的設(shè)計和使用仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的課題。在此,我們將探討使用石墨烯來制造太赫茲波段光波導(dǎo)的可能性。
　　石墨烯是一種新型的納米結(jié)構(gòu),有單層和多層之分,其晶格結(jié)構(gòu)中碳原子呈六角形分布。因為具有優(yōu)良的導(dǎo)電特性和導(dǎo)光性能,石墨烯正在取代傳統(tǒng)的銦錫氧化物電極使用在液晶顯示器和有機電激光顯示器上,人們發(fā)現(xiàn)它不僅價格低廉而且效果更佳。最近,由于石墨烯在紅外區(qū)域具有極好的導(dǎo)電特性和光

3、傳輸性能,石墨烯又被用在紅外波段的光電器件中?？紤]到石墨烯的折射率較小而且不同的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)對于光波導(dǎo)的性能有重大影響,因此我們想探究一種新的石墨烯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并討論其在太赫茲波段的潛在運用。
　　在此,我們提出了一種半導(dǎo)體-石墨烯結(jié)構(gòu),用它可以制作成太赫茲光波導(dǎo)。由于石墨烯獨特的二維特性以及相對低的介電常數(shù),使得這種結(jié)構(gòu)之中在半導(dǎo)體-石墨烯的分界面上出現(xiàn)了很強的介電常數(shù)不匹配現(xiàn)象。通過理論計算我們得到兩個重要的結(jié)論:
　　首先,

4、當(dāng)外半導(dǎo)體層的半徑ρ1～100μm時,其內(nèi)部出現(xiàn)的光子模式的頻率在太赫茲波段,而且隨著外半導(dǎo)體層的半徑的增加,可傳輸光的頻率會降低。從而調(diào)節(jié)外半導(dǎo)體層的半徑即可有效改變光傳輸?shù)念l率。
　　其次,數(shù)值計算還表明當(dāng)傳播常數(shù)41zk>3×10m?時,色散曲線大致是線性的。所以,在這種半導(dǎo)體-石墨烯結(jié)構(gòu)中,由于群速度不同而導(dǎo)致的色散非常小。
　　正是這種很弱的光脈沖的加寬使得這種半導(dǎo)體-石墨烯結(jié)構(gòu)具有極好的遠距離的光傳輸性能,從而可