納米尺度的光-物質(zhì)相互作用對(duì)未來(lái)的光子集成電路和器件具有特殊的意義，應(yīng)用范圍從通信到傳感和成像。我們提出了一種等離子體激元調(diào)制器，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制載流子密度在納米尺度上的空間分布來(lái)增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用，并通過(guò)一個(gè)混合石墨烯-介電-光柵結(jié)構(gòu)來(lái)證明。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，利用外加電壓和光柵周期可以有效地調(diào)制表面等離子體激元(SPPs)。理論上，該調(diào)制器也可以在超寬帶上工作，因?yàn)樯⑸湫?yīng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。與通過(guò)改變整個(gè)載流子密度的調(diào)制器相比，在工作波長(zhǎng)為12.4 μm時(shí)，通過(guò)控制載流子在納米尺度上的密度空間分布的調(diào)制深度提高了約18.6 dB。該等離子體激元調(diào)制器在納米尺度上觸發(fā)了增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用的方法，顯著提高了調(diào)制深度，在光開(kāi)關(guān)、傳感器和光檢測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖1. 調(diào)制器的三維原理圖。石墨烯中載流子密度的空間分布由光柵與石墨烯之間的電壓控制，因此可以有效地對(duì)傳播的SPPs進(jìn)行調(diào)制。
圖2. 模擬示意圖，用石墨烯中的周期分布費(fèi)米能級(jí)模擬載流子密度(
ng)空間分布，用光學(xué)傳輸來(lái)說(shuō)明被檢測(cè)信號(hào)的情況。
圖3. 工作波長(zhǎng)為8 μm時(shí)，(a) ON (b) OFF狀態(tài)下的電場(chǎng)分布分量。
圖4. 光傳輸與外加電壓之間的關(guān)系。
圖5. 周期為(a) 115 nm (b) 128 nm的電場(chǎng)分布分量，(c) y方向的電場(chǎng)強(qiáng)度分布(d)不同周期時(shí)的光傳輸。
圖6. (a)控制全載流子密度的調(diào)制器示意圖，費(fèi)米能級(jí)為(b)0.9 eV、(c) 0.3 eV 、(d)0.9 eV和0.3 eV時(shí)的電場(chǎng)分布分量，(e)不同方法的光傳輸隨波長(zhǎng)的變化。
相關(guān)研究成果由東南大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)中心Changgui Lu等人于2022年發(fā)表在Optics Communications (https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128093)上。原文：A plasmon modulator by dynamically controlling the spatial distribution of carrier density in graphene。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
