[論文レビュー] Graphene nano-ribbon waveguides

Songbai He, X. Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2013

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、グラフェン層、シリカバッファ層、シリコン基板からなる低損失なグラフェンナノリブ波ガイド構造を提案し、30 THzにおける効率的なテラヘルツプラズモニック波ガイドを実現する。単一モード動作、低減損失、高い図形的優位性（FoM）を達成し、結合リブ構成により、集積光回路用の超小型ナノリングキャビティ構造を実現する。

ABSTRACT

Graphene as a one-atom-thick platform for infrared metamaterial plays an important role in optical science and engineering. Here we study the unique properties of some plasmonic waveguides based on graphene nano-ribbon. It is found that a graphene ribbon of finite width leads to the occurrence of coupled edge mode. The single-mode region of a single freestanding graphene ribbon is identified at a fixed frequency of 30 THz. A low-loss waveguide structure, consisting of a graphene layer, a silica buffer layer and silicon substrate is proposed to reduce the propagation loss and obtain a high figure of merit for future integration of waveguide devices. Furthermore, two coupled ribbon configurations, namely, side-side coupling and top-bottom coupling, are investigated. As a device example, a nano-ring cavity of ultra-small size is designed.

研究の動機と目的

• グラフェンナノリブを用いた低損失・高性能なプラズモニック波ガイドを、テラヘルツ応用に向け設計すること。
• シリカバッファ層とシリコン基板を有する多層構造を用いて、グラフェンベース波ガイドの伝搬損失を低減すること。
• 30 THzにおけるフレークレスなグラフェンリブの単一モード動作領域を同定すること。
• モード制御とデバイス統合を向上させるために、並列（サイド・バイ・サイド）および上下（トップ・バイ・ボトム）の結合リブ構成を調査すること。
• 超小型ナノリングキャビティ構造を用いた実用的デバイス応用を提示すること。

提案手法

• 放射損失および伝搬損失を低減するために、グラフェン層、シリカバッファ層、シリコン基板からなる多層波ガイド構造を提案する。
• 表面プラズモン極化波の有限幅グラフェンリブにおける挙動を解析するため、電磁波方程式に基づく理論的モデリングを実施する。
• 30 THzの固定周波数におけるフレークレスなグラフェンリブの分散関係を解くことで、単一モード動作領域を同定する。
• モード混合化および場の局在化を調査するため、並列（サイド・バイ・サイド）および上下（トップ・バイ・ボトム）の2種類の結合リブ構成を分析する。
• 結合リブ波ガイド構造を閉じることで、波長未満のモード局在を実現するナノリングキャビティを設計する。
• 波ガイド効率および統合可能性を評価するための主要性能指標として、図形的優位性（FoM）を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 THzにおけるフレークレスなグラフェンナノリブの単一モード動作帯域幅は何か？
• RQ2 シリカバッファ層およびシリコン基板の導入が、グラフェン波ガイドにおける伝搬損失に与える影響は何か？
• RQ3 並列（サイド・バイ・サイド）および上下（トップ・バイ・ボトム）の結合グラフェンリブ構成における場の局在化およびモード特性は何か？
• RQ4 コンactな統合可能な幾何形状で、低損失・高図形的優位性（FoM）の波ガイドを達成できるか？
• RQ5 結合グラフェンリブを用いて、超小型ナノリングキャビティを実現する可能性は何か？

主な発見

• 30 THzにおけるフレークレスなグラフェンリブに対して、単一モード領域が同定され、表面プラズモン極化波の安定的・低損失伝搬が可能となる。
• 提案された多層構造（グラフェン／シリカ／シリコン）は、フレークレス構造と比較して、伝搬損失を顕著に低減する。
• モード局在性の向上と放射損失の低減により、図形的優位性（FoM）が向上し、より優れた統合可能性が実現される。
• 並列（サイド・バイ・サイド）および上下（トップ・バイ・ボトム）の結合リブ構成は、強力な場の局在化を示すハイブリッドモードを支持し、コンパクトデバイスに適している。
• 波長未満の寸法を有する超小型ナノリングキャビティが成功裏に設計され、オンチップ光子統合への可能性を示している。
• 理論的解析により、波ガイドが低伝搬損失と高品質因子モードを支持することが確認され、ナノフォトニクス応用に適していることが妥当性を保証している。