一种混合型石墨烯表面等离子体波导

一种混合型石墨烯表面等离子体波导

盛朋驰;陈明;蔡建瑾;童秀倩;杨骏风

【摘要】针对光学元件存在体积大、带宽窄和损耗大的问题,提出一种适用于光电子集成电路的石墨烯波导结构。利用表面等离子体构成的波导结构能够突破衍射极限,可将光限制在亚波长范围内进行操控。同时石墨烯化学势的改变会影响波导的传输性能,实现波导的可调性,而不需要调整波导的几何形状。数值仿真表明,在工作波长1.55μm和化学势0.8 eV情况下,基模的最小模式面积仅为0.0034μm2,传播长度达到66.5μm。这种波导在纳米光子器件领域具有巨大的潜力。%Aiming at the narrow bandwidth and large loss of the existing bulky optical elements,a graphene waveguide struc-ture is proposed for optoelectronic integrated circuit.The waveguide structure has the potential of confining optical field down to sub-wavelength range beyond the diffraction

limit.The change of the chemical potential of graphene affects the transmission characteristics of waveguide which achieves tunable waveguide without the geometry adjustment.Numerical re-sults reveal that the minimum mode area of 0.003 4μm2 and the propagation length of 66.5μm are obtained at the wave-length of 1.55μm and chemical doping of 0.8 eV.The waveguide provides a great potential in nanophotonics devices.

【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》

【年(卷),期】2016(036)002

【总页数】5页(P94-98)

【关键词】纳米光子;表面等离子体波导;石墨烯

【作者】盛朋驰;陈明;蔡建瑾;童秀倩;杨骏风

【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004

【正文语种】中文

【中图分类】TN25

随着微加工技术和集成光子学的快速发展，器件微型化和集成化的要求越来越高，纳米级器件的需求愈来愈强烈，而表面等离子体(surface plasmon polaritons，简称SPPs)能实现光在纳米尺度上的操控[1]。表面等离子体是指光子与金属表面存在的自由振动电子相互作用而产生的沿金属表面传播的电子疏密波[2]，它能突破衍射极限，实现亚波长量级的光电子器件。表面等离子体波导是一种引导SPPs 传播的光子互连元件。基于金属的表面等离子体波导结构研究很多，文献[3-5]提出了种类丰富、满足不同需求的结构。但是，这些金属都存在较大的欧姆损耗，并且当波导结构一旦固定就难以改变波导的传输特性，有些波导结构制作存在工艺上的难题。

石墨烯可以支持表面等离子体波的传播，与金属相比，石墨烯支持的表面等离子体波的局域性更强，欧姆损耗更小[6-9]。此外，石墨烯的电导率具有可调性，可通过多种调控方法，如电调控、磁调控及化学掺杂，实现石墨烯电导率的改变，从而调节石墨烯支持的表面等离子体极化波的特性[10-11]。这种独特的光学特征使得石墨烯有望设计新颖性的纳米光子器件，如超透镜、亚波长波导、慢光器件等[12-

16]。然而，与金属表面等离子体一样，石墨烯表面等离子体也同样遭受欧姆损耗。常用的方法是通过改变化学势(费米能级)降低欧姆损耗，但会使光场的范围更大[17]。目前，表面等离子体波导结构的研究主要集中在金属型波导或石墨烯-金属

型波导，而对石墨烯表面等离子体波导的研究还比较少。为此，提出基于石墨烯的混合型表面等离子体波导模型，实现了低损耗传输以及波导性能的可调性。

混合型石墨烯表面等离子体波导结构如图1所示。半径R1(R1=50 nm)的内圆柱

形纳米棒材料为Si，在内圆柱形纳米棒表面覆盖一层石墨烯，石墨烯的厚度采取

经典值0.7 nm(R2-R1=0.7 nm)，石墨烯外包层材料为Si，周围介质为SiO2。2

个多层圆柱形纳米棒对称放置，并保持微小间距。令d=R3-R2为外圆柱与内圆柱纳米棒半径之差，波源为λ=1.55 μm的平面波，入射方向垂直于xy平面。在给

定条件下，Si和SiO2的折射率分别为3.48和1.44。

单层石墨烯的电导率σg可由Kubo公式得到[18]：

其中：e为电子电量；h=h/2π为简化的普朗克常数；fd(ε)=1/(1+exp((ε-

μc)/(kBT)))为费米-狄拉克分布；kB为玻尔兹曼常数；ω为光源角频率；μc为化

学势；Г为散射率；T为温度。若石墨烯未受到额外磁场的干涉，则其电导率各向同性。石墨烯电导率分为带间和带内2个部分。对于单层石墨烯，化学势μc由载流子密度ns决定，

其中νF为9.5×105 m/s的费米速率，载流子密度可通过外施门电压或化学势掺

杂进行调控。式(1)的带间和带内电导率分别为：

由式(3)、(4)可知，石墨烯的电导率随化学势变化，并且通过掺杂改变石墨烯载流子浓度，进而改变化学势，可使得支持的表面等离子体的吸收损耗降到很小。结合相关文献[6,11-13]给出的石墨烯参数为：T=300 K，Г=0.43 meV，μc=0.8 eV。另外，由于在Si/SiO2界面存在折射率差，会大幅提高波导亚波长局域能力，同

时对称结构会增强模场耦合强度，即研究提出的波导不仅模场限制能力强，还能实