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梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

乔文涛 龚健 张利伟 王勤 王国东 廉书鹏 陈鹏辉 孟威威

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梳状波导结构中石墨烯表面等离子体的传播性质

乔文涛, 龚健, 张利伟, 王勤, 王国东, 廉书鹏, 陈鹏辉, 孟威威

Propagation properties of the graphene surface plasmon in comb-like waveguide

Qiao Wen-Tao, Gong Jian, Zhang Li-Wei, Wang Qin, Wang Guo-Dong, Lian Shu-Peng, Chen Peng-Hui, Meng Wei-Wei
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  • 理论上研究了介质/石墨烯/介质梳状波导结构中表面等离子体的传播性质. 波导中表面等离子体模的有效折射率随着石墨烯费米能级的提高而减小, 随着介质折射率的增加而增加. 分析和仿真结果表明, 基于这种梳状波导可以在中红外波段实现新型的纳米等离子体滤波器, 器件的尺度在几百纳米的范围. 通过改变梳状分支的长度, 石墨烯的费米能级, 介质的折射率和波导中石墨烯的层数, 很容易来调节带隙的位置. 另外, 滤波带隙的宽度随着梳状分支数的增加而增加. 这种滤波性质将在可调的高集成光子滤波器件中具有潜在的应用.
    We investigate theoretically the electromagnetic propagation properties of graphene plasmons in a comb-like dielectric-graphene-dielectric (DGD) waveguide. The effective index of surface plasmon mode supported by the waveguide is analysed numerically, and it is found that the effective refractive index increases with the refractive index of the dielectric and decreases with Fermi energy of the graphene sheet. For a comb-like DGD waveguide with a finite branch length, a subwavelength plasmon filter can be formed by Fabry-Perot resonance caused by the reflection of the guided mode at the branch. The central frequencies of the gaps can be changed by varying the length of the branch, Fermi energy, the refractive index of the dielectric and the layer number of graphene sheets. The analytic and simulated result reveals that a novel nanometric plasmonic filter in such a comb-shaped waveguide can be realized with ultracompact size in a length of a few hundred nanometers in the mid-infrared range. We find that the frequencies of the stopband increase with Fermi energy and the layer number of graphene sheets, while will they decrease nonlinearly with the length of the branch and the refractive index of the dielectric. In addition, the width of the gap can be increased with the number of comb branches. Such electromagnetic properties could be utilized to develop ultracompact photonic filters for high integration.
      通信作者: 张利伟, zlwhpu@hotmail.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: U1304016)、河南省教育厅自然科学基金(批准号: 14A140011, 2012GGJS-060)、 贵州省科学技术基金(批准号: J[2014]2076, Z[2014]4001)和河南理工大学基金(批准号: J2013-09, T2015-3)资助的课题.
      Corresponding author: Zhang Li-Wei, zlwhpu@hotmail.com
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. U1304016), the Foundation of Henan Educational Committee, China (Grant Nos. 14A140011, 2012GGJS-060), the Fund Project of Guizhou Province (Nos. J[2014]2076), Z[2014]4001), and the Henan Polytechnic University Programs, China (Grant Nos. J2013-09, T2015-3).
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-20
  • 修回日期:  2015-08-24
  • 刊出日期:  2015-12-05

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