【摘 要】
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随着集成光学的迅速发展,在该领域中对于集成光学器件的集成度要求愈发提高。基于表面等离激元效应的光波导结构可以有效地突破衍射极限,在极大程度上缩小集成光学器件的尺寸,从而满足高集成度的要求。近年来,众多研究人员致力于这一领域,取得了丰硕的研究成果,但是其性能仍保有继续提升的空间。石墨烯作为一种二维材料,基于此的混合等离激元波导能够实现多种偏振态的激发、拓宽波导的适用波段以及提供更多的调控维度从而更灵
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随着集成光学的迅速发展,在该领域中对于集成光学器件的集成度要求愈发提高。基于表面等离激元效应的光波导结构可以有效地突破衍射极限,在极大程度上缩小集成光学器件的尺寸,从而满足高集成度的要求。近年来,众多研究人员致力于这一领域,取得了丰硕的研究成果,但是其性能仍保有继续提升的空间。石墨烯作为一种二维材料,基于此的混合等离激元波导能够实现多种偏振态的激发、拓宽波导的适用波段以及提供更多的调控维度从而更灵活的平衡限制与损耗之间的制约关系。本文旨在研究不同类型的石墨烯混合等离激元波导在不同的结构参数和材料参数下的限制能力和传输损耗,并实现不同偏振态的激发,再进一步为相应器件的设计夯实基础。本文主要研究了两种基于石墨烯混合等离激元波导结构。首先,研究了圆柱形石墨烯混合等离激元波导结构,研究该结构中TM模式的传输特性,并根据模式面积、传播距离和品质因数对波导的结构参数和材料参数进行优化,实现了良好的径向偏振光的限制性传输,增加调控维度、缩小结构尺寸、增强了波导的限制能力、实现整体性能优化。在此基础上验证了近红外和太赫兹波段中波导同样具有优秀的性能,实现了波段拓宽。接着研究了圆柱形石墨烯混合等离激元波导结构中TE模式的激发和传输特性,对波导结构进行微调后采用双层石墨烯结构,同样根据性能指标对波导的结构参数和材料参数进行优化,它支持旋向偏振光的限制性传输,从而实现了基于石墨烯偏振态可调的圆柱形混合等离激元波导并具有优越性能。最后,为了更灵活地平衡限制与损耗的关系,引入石墨烯双曲超材料作为波导包层,设计了一种石墨烯双曲超材料混合等离激元波导,研究该结构中模式的传输特性,并分析不同结构参数和材料参数对性能影响的规律,在此基础上对波导进行优化,最终实现了极强的限制性传输。通过本文中的研究工作,设计了两种石墨烯混合等离激元波导结构,并实现不同偏振态的限制性传输。在此基础上,研究不同结构和材料参数对波导性能的影响,设计出了光场限制能力强、传输距离可观的石墨烯混合等离激元波导结构,相比传统波导结构增加了调控维度,便于灵活调控波导性能、拓宽了适用波段、缩小尺寸并增强限制能力,在光场调控、集成光学等领域具有潜在价值。
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