关键词:
光栅
半峰全宽
石墨烯
等离子体
亚波长结构
摘要:
光栅是一种光学器件,可以使入射光的振幅或相位受到周期性空间调制,被广泛应用于集成光学、传感器、滤波器等领域。现如今,智能化、复杂化的应用系统对基于微纳光栅的光学器件的功能和性能指标提出了更高的要求,因此,本论文围绕微纳器件品质因数低、不可调谐等现象,针对性地采用插入介质光栅、将石墨烯材料应用到器件中等设计方法,对不同结构和功能的新型光学器件进行了研究。主要进行了以下工作:(1)提出了一种光栅辅助的超窄带多光谱等离子体共振传感器结构。针对现有等离子体共振传感器半峰全宽大,品质因数低的问题,通过引入介质光栅改善纯金属光栅结构的性能指标。本设计对所提出的金属-介质光栅共振传感结构进行了光传输特性及传感特性进行数值仿真研究,并分析了结构参数及入射光偏振态对半峰全宽及传感特性的影响。仿真结果表明:在800~1100 nm波长范围,该传感器结构的传输谱存在两个由光栅衍射及等离子体共振形成的凹点,相应的半峰全宽分别可达0.35nm及0.59 nm,折射率灵敏度分别为525.7 nm/RIU、475.7 nm/RIU,品质因数分别高达1502.00 RIU和806.27 RIU。与纯金属光栅相比,金属-介质光栅结构的品质因数提高了两个数量级。(2)提出了一种能够实现双可调类电磁感应透明效应的石墨烯等离子体结构。针对现有的类电磁感应透明器件慢光效应差的问题,本文通过将石墨烯、薄金层与光栅相结合,设计出了慢光效应较好的可调谐类电磁感应透明结构。该设计利用时域有限差分法研究了结构的光学响应,发现类电磁感应透明效应是由石墨烯层亮模式和金层暗模式之间的破坏性干涉引起的,这种现象可以通过费米能级来调节,而费米能级能够通过外加电压进行动态调谐。结果表明,在太赫兹波段,该结构的群延时可达0.62 ps,群折射率超过1200,最大延迟带宽积为0.972,类电磁感应透明峰值频率透过率高达0.89,其性能优于现有的大部分的同类型器件。(3)提出了一种基于光栅的石墨烯窄带吸收器,能够实现中红外波段的可调谐双窄带完美吸收。相比于其他同类型结构只研究石墨烯化学势对吸收效果的影响,该设计进一步讨论了石墨烯散射率对吸收效应的调谐作用。仿真结果表明,在中红外波段,石墨烯散射率的降低能够有效减小吸收峰的半峰全宽,同时提高结构吸收率。石墨烯化学势为0.7 e V时双峰吸收率均可达到0.98,吸收峰的半峰全宽最小可至0.16THz,折射率灵敏度为7.13 THz/RIU。