CN212060633U - 一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，该圆柱型槽波导结构包括一个十六周期同轴圆环以及一个圆环槽，圆柱型槽波导横截面的最内层为实心Ge圆柱，一层石墨烯和一层Ge圆环构成一个周期的圆环，由内向外是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环，再然后是MgF圆环槽，最后是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环。该圆柱型槽结构波导利用柱型槽结构波导结构代替原有的平面槽结构，当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在圆环型槽区域的结构中，并且可以进行径向偏振光的传输，由于此结构的结构紧凑，尺寸小，集成度高，可用于高密度的集成光路，也可以应用于在生物化学传感器等领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，可用于太赫兹波段光子学、集成光子器件、双曲超材料人工微结构等技术领域。
背景技术
近年来，特别是在光子集成领域中，人们已经相继提出了许多波导结构将光场能量限制在平板槽型区域中，如硅基双曲槽波导、银锗双曲槽波导、红外石墨烯-介电双曲槽波导等，这些波导结构将一部分的功率流限制在了槽区域，并且还实现了槽内电场振幅的提高。而石墨烯双曲超材料在近红外到太赫兹波段的介电常数是小于0的，可以用来代替金属作为HMMs的组成材料。因为石墨烯材料的参数具有很高的可调性，可以通过改变化学势、温度或入射波长等改变其相对介电常数等光学量。另外数值模拟和解析模拟都表明了改变石墨烯的周期，占空比或化学势等均可以改变局域场的增幅和衰减。
光的偏振态是光的重要特性之一，由于其矢量特性使得其与物质之间发生复杂的相互作用，在这个基础上，人们做了各样的光学器件和光学系统。过去人们研究的光大部分其偏振态不会随着光束的空间位置而改变，但是随着近几年来的研究发现了一种矢量光束的偏振态会随着空间位置变化的空间非均匀偏振分布的矢量光束，并在此基础上发现了许多新的效应，并因此拓宽了光学器件和光学系统的功能。柱矢量光束是其中的一种特殊的矢量光束，其偏振态在光的传播方向的横截面上呈柱对称分布，按照柱矢量光束的电场在空间上的分布特点可以将其分为径向偏振光、旋向偏振光和一般柱矢量光束。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，该圆柱型槽波导结构包括一个十六周期同轴圆环以及一个圆环槽，圆柱型槽波导横截面的最内层为实心Ge圆柱，一层石墨烯和一层Ge圆环构成一个周期的圆环，由内向外是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环，再然后是MgF圆环槽，最后是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环。
优选地，所述实心Ge圆柱的半径为r，r＝20nm。
优选地，所述石墨烯的厚度为dg，石墨烯厚度dg＝1nm，所述Ge圆环的厚度为dd，Ge圆环厚度dd＝9nm。
优选地，该圆柱型槽波导结构的半径为200nm。
优选地，所述MgF圆环槽的槽宽为20nm。
优选地，在频率为30THz光入射下，MgF圆环槽的介电常数为1.9，Ge圆环的介电常数是16，石墨烯的切向介电常数为εg，t＝-368.6732-3.9689i，法向介电常数εg，n＝2.5。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：该石墨烯双曲超材料圆柱型槽结构波导，利用柱型槽结构波导结构代替原有的平面槽结构，当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在圆环型槽区域的结构中，并且可以进行径向偏振光的传输，由于此结构的结构紧凑，尺寸小，集成度高，可用于高密度的集成光路，也可以应用于在生物化学传感器等领域，具有广阔的应用前景。
该技术方案在TM01模式的有效折射率较高，有较强的光场限制能力，可以将光场限制在波导槽结构中。该技术方案实现了径向偏振光的限制性传输，在TM01模式下电场沿径向偏振，可以高级别程度地传播径向偏振模式。该技术结构方案结构紧凑，结构尺寸小，因此便于光子集成，可应用于超高密度集成光路。另外由于一定的场增强，可能在生物传感器和红外光谱分析领域有应用前景。由于石墨烯可调，结构尺寸可调，通过合理设计，可以进一步的优化相关的参数。
附图说明
图1为本实用新型的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构的横截面结构示意图。
图2为本实用新型的频率为f＝30THz下的径向偏振光波导模式表面电场模|E|等值线分布图
图3为本实用新型的频率为f＝30THz下槽区域中的径向偏振光波导模式表面电场模|E|等值线分布图。
图4为本实用新型的f＝30THz的径向偏振光波导模式表面电场模|E|沿波导截面直径分布曲线。
图5为本实用新型的f＝30THz的径向偏振光波导模式偏振分布图，箭头表明此时电场横向分量的偏振方向。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
本实用新型揭示了一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，如图1和图2所示，该圆柱型槽波导结构包括一个十六周期同轴圆环以及一个圆环槽，圆柱型槽波导横截面的最内层为实心Ge圆柱，一层石墨烯和一层Ge圆环构成一个周期的圆环，由内向外是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的周期圆环，再然后是MgF圆环槽，最后是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的周期圆环。
具体地，圆柱型槽波导横截面的最内层为实心Ge圆柱，由内向外为八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的第一组圆环，第一组圆环外面为MgF圆环槽，MgF圆环槽的外面为八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的第二组圆环。
此波导中最内层的实心Ge圆柱的半径为r，r＝20nm，同时注意虽然单层石墨烯的厚度一般只有0.35nm左右，但是在理论的光学参数的模型中，大部分情况下石墨烯厚度都是取1nm，所以这个圆柱型槽结构波导中，假设每个周期是由一层石墨烯和一层Ge圆环构成的圆环，其中的石墨烯厚度是dg＝1nm。
每个周期中Ge圆环的厚度是dd＝9nm，内层是八个周期，接着是MgF圆环槽，其槽宽是20nm，最后是八个周期的石墨烯和一层Ge圆环组成的圆环排列，其中每个周期中的石墨烯厚度是dg＝1nm，Ge圆环的厚度是dd＝9nm，整个波导的半径为200nm，由一个十六周期的同轴圆环以及一个圆槽组成的结构。
进一步的，一种石墨烯双曲超材料圆柱槽型波导结构，该波导结构是由石墨烯，Ge以及MgF三种材料组成，整个波导由一个十六周期的同轴圆环以及一个圆环槽组成的结构。其中Ge的介电常数是16，而MgF的相对介电常数是1.9。
在30THz频率的光入射下，假设石墨烯的厚度是1nm的情况下，所对应的石墨烯的法向相对介电常数是εg，n＝2.5，石墨烯的切向相对介电常数εg，t＝-368.6732-3.9689i。此外在30THz的频率下，光场很好的被限制在MgF圆环槽中，且在TM01模下电场沿径向偏振，可以高级别程度地传播径向偏振模式，结构尺寸小、结构紧凑。
传播距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值1/e时的距离，其表达式为：
L＝1/(k0neff_i)＝λ/(2πneff_i)
其中，k0是真空中的波矢，neff_r是波导模式有效折射率的实部，neff_i是波导的模式有效折射率的虚部。其中有效折射率的实部反映了圆柱槽型波导结构中的模式限制能力，而有效折射率的虚部则反映了在波导中传播能力的大小。
在30THz频率的光入射下，圆柱槽结构波导的半径为200nm。该波导TM01模式的有效折射率neff＝20.815-0.25077i，其中在TM01模式下的有效折射率的实部较高是neff_r，＝20.815，高折射率反映了较强的模式限制能力；TM01模式下的有效折射率的虚部neff_i＝0.25077，可以计算出该模式的传播距离为6.35μm，可以高级别程度地传播径向偏振模式。
由于在30THz频率下，柱对称结构支持的偏振模式较多，可利用柱对称结构调控径向偏振光。同时，由于石墨烯是一种可调性较高的二维材料，可以通过调节石墨烯的化学势，入射光波长以及温度等变量进而改变石墨烯的相对介电常数等光学量。
图2和图3为实施例频率f＝30THz时的径向偏振光波导模式表面电场模|E|等值线分布图。其中图2是整个波导模式表面电场模|E|分布图，而图3是该光波导槽区域中的电场模|E|的分布。图中用等值线反应光场的分布，从图2和图3的对比中可以看出，在频率f＝30THz为入射光的情况下，该波导在槽区域中光场分布相对均匀且密集。
图4为实施例频率为f＝30THz的径向偏振光波导模式表面电场模|E|沿波导截面直径分布曲线，图4中横坐标表示水平方向上波导上一点到圆心的距离，纵坐标表示电场模。通过图4中可以清楚的看出在槽区域内即半径为-120nm到-100nm和100nmm到120nm之间，其电场模集中分布在槽区域中，且电场模大小远高于其他区域，实现了将径向偏振光大部分限制在槽区域中。
图5为实施例频率为f＝30THz的径向偏振光波导模式偏振分布图，而箭头方向表示了此处箭头表明此时电场横向分量的偏振方向。从图5中可以看出在槽区域中电场的横向分量都是沿径向偏振的，另外也说明了这个波导结构可以高级程度的传播径向偏振模式。
由于在30THz频率下，柱对称结构支持的偏振模式较多，可利用柱对称结构调控径向偏振光。同时，由于石墨烯是一种可调性较高的二维材料，可以通过调节石墨烯的化学势，入射光波长以及温度等变量进而改变石墨烯的相对介电常数等光学量
本技术方案提出了一种结构紧凑，尺寸小，TM01模式下的有效折射率高，可实现径向偏振光限制性传输的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构。
利用柱型槽结构波导结构代替原有的平面槽结构，当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在圆环型槽区域的结构中，并且可以进行径向偏振光的传输，该波导结构紧凑，尺寸小，集成度高，可用于高密度的集成光路，也可以应用于在生物化学传感器等领域，具有广阔的应用前景。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：该圆柱型槽波导结构包括一个十六周期同轴圆环以及一个圆环槽，圆柱型槽波导横截面的最内层为实心Ge圆柱，一层石墨烯和一层Ge圆环构成一个周期的圆环，由内向外是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环，再然后是MgF圆环槽，最后是八个周期排列的石墨烯和Ge圆环组成的圆环。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：所述实心Ge圆柱的半径为r，r＝20nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：所述石墨烯的厚度为dg，石墨烯厚度dg＝1nm，所述Ge圆环的厚度为dd，Ge圆环厚度dd＝9nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：该圆柱型槽波导结构的半径为200nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：所述MgF圆环槽的槽宽为20nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯双曲超材料的圆柱型槽波导结构，其特征在于：在频率为30THz光入射下，MgF圆环槽的介电常数为1.9，Ge圆环的介电常数是16，石墨烯的切向介电常数为εg，t＝-368.6732-3.9689i，法向介电常数εg，n＝2.5。
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