基于石墨烯纳米带的非厄米光学系统的理论研究

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随着经济和社会的发展,传统的电子信息技术已经不再满足现代社会的发展,人们对信息技术的发展提出了新的要求。光子器件成为信息传递的理想载体,但是,传统光子器件的衍射极限阻碍了光子器件的小型化和集成化。表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)的研究为克服衍射极限提供了解决方案。研究发现,表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)具有克服衍射极限、易于集成、能在纳米量级下对光进行操控等优点。SPPs的这些特性为探索波导与共振器之间的相互作用铺平了道路。近年来,国内外课题组对石墨烯材料进行了更加深入的研究,发现石墨烯能够在中红外波段激发出SPs。由于石墨烯表面等离子体(Graphene Surface Plasmons,GSPs)的优越特性,因此石墨烯可以在纳米量级下构建动态可调的光子器件。本文通过使用数值模拟和解析计算在非厄米光学系统中发现了奇点(Exceptional Points,EPs),并在EPs处实现了单向无反射。主要研究内容为:首先,文章提出了一种非厄米石墨烯表面等离子体波导系统。系统在结构上使用了两个翼型共振器和一个GSPs波导。基于两个翼型等离子体共振器产生的远场耦合,系统在中红外区域实现了单向无反射效应。结果表明,当入射波从结构的一侧入射时,反射率接近为0,而从另一侧入射时,反射率为26.212%,因此系统产生了EP。所有的仿真基于FEM。通过改变石墨烯的参数研究其对单向无反射的影响。其次,文章利用三共振器之间的远场耦合构建了一个非厄米光学系统,实现了EPs处的双频单向无反射。该系统由三个翼形共振器组成,它们侧耦合到GSPs带状波导上。基于时间耦合模理论(Temporal Coupled-Mode Theory,TCMT)和仿真模拟,研究了双频单向无反射效应。在34.34THz和35.83THz时,系统在前向入射时的反射率近似为零,而后向入射时的反射率分别为33.13%和21.13%。前向反射和后向反射的对比度近似为1。文章提出了非厄米散射矩阵来验证双EPs的存在,并通过改变石墨烯的Ef实现了光学奇点的动态可调。此外,文章还对石墨烯的弛豫时间进行了调控。但是EPs的位置并不随弛豫时间的变化而发生改变。最后,文章研究了基于近场耦合的非厄米波导-腔耦合系统。该系统由一个石墨烯带状波导与两个石墨烯共振器组合而成。TCMT和仿真模拟的结果显示,系统在中红外波段的两个EPs处实现了双频单向无反射。在频率为24.418THz(20.865THz)时,系统的前(后)向反射率几乎为0,而后(前)向反射率为24.71%(22.945%)。文章利用外电路对石墨烯的Ef进行调控,发现Ef增大,EPs蓝移。
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