[論文レビュー] TE-Polarized Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in Nonlinear Multi-layer Graphene-Based Waveguides: An Analytical Model

Mohammad Heydari|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、非線形Kerr型の誘電層で挟まれた各グラフェンシートを有する非線形多層グラフェンベース波ガイドにおけるTE偏光表面プラズモン極性波（SPP）の解析的モデルを提案する。化学ポテンシャルと非線形係数を調整することで、61 THzで有効屈折率が82に達する。これはTHzデバイス設計のためのチューナブルなプラットフォームを示している。

ABSTRACT

In this article, an analytical model is proposed for the study of Transverse-electric (TE) surface plasmon polaritons (SPPs) in nonlinear multi-layer graphene-based waveguides. Each graphene sheet has been located between two different Kerr-type layers. As special cases of the general, proposed structure, two new nonlinear graphene-based waveguides are introduced and investigated in this paper. The obtained results show that the propagation properties of these exemplary structures are adjustable via chemical potential and nonlinear coefficients. A large value of the effective index, i.e. neff=82 is obtained for the chemical potential of 0.15 ev and the nonlinear ratio of 0.8 for the second structure at the frequency of 61 THz. The presented study suggests a novel platform in graphene plasmonics, which can be used for the design of innovative THz devices.

研究の動機と目的

• 非線形Kerr型誘電層を有する多層グラフェンベース波ガイドにおけるTE偏光表面プラズモン極性波（SPP）を研究するための解析的フレームワークの構築。
• 化学ポテンシャルと非線形係数がSPP伝搬特性に与える影響の調査。
• 一般モデルの特殊ケースとして、2つの新しい非線形グラフェンベース波ガイド構造の提案と解析。
• 将来のテラヘルツ（THz）フォトニクス分野への応用を想定したSPP特性のチューナビリティの実証。

提案手法

• 本モデルは、交替に配置されたグラフェンシートと非線形誘電層（Kerr型非線形性を示す）からなる多層構造を採用する。
• 境界条件を満たすために、伝搬行列法を用いて解析的解を導出する。
• 横方向波数と有効屈折率を用いて、TE偏光SPPの分散関係を定式化し、グラフェンの導電率と非線形誘電率を組み込む。
• 有効屈折率（neff）は、周波数、化学ポテンシャル（μc）、非線形係数（γ）の関数として計算される。
• 非線形応答はKerr型非線形性によりモデル化され、誘電率は局所的な電場強度に依存する。
• 対称な非線形層構造と非対称な構造の2つの具体的な波ガイド構成が分析され、両者とも強いチューナビリティを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの化学ポテンシャルは、多層波ガイドにおけるTE偏光SPPの伝搬定数および有効屈折率にどのように影響するか？
• RQ2 誘電層の非線形係数は、SPPモードの有効屈折率をどの程度チューニング可能にするか？
• RQ3 提案された非線形グラフェン波ガイド構造において、TE偏光SPPの最大有効屈折率はどの程度達成可能か？
• RQ4 対称的および非対称な非線形層配置は、SPPの閉じ込め方と伝搬特性にどのように影響するか？
• RQ5 提案された構造は、実用的なチューナビリティを備えて、テラヘルツ周波数帯域で高屈折率SPPモードをサポートできるか？

主な発見

• 2番目に提案された構造では、化学ポテンシャル0.15 eV、非線形比0.8の条件下で、61 THzの周波数で有効屈折率（neff）が最大82に達する。
• SPPの伝搬特性は、化学ポテンシャルと非線形係数の調整により顕著にチューニング可能であり、モード閉じ込めや位相速度の動的制御が可能である。
• 提案された波ガイド構造は、強い場の局在化と高い有効屈折率を実現しており、コンact THzデバイスに適した強い光・物質相互作用を示している。
• 解析的モデルは、複雑な非線形多層グラフェン系におけるTE偏光SPPの分散特性を正確に予測できた。
• 2番目の構造は、1番目の構造よりも優れたチューナビリティと高い有効屈折率を示しており、非対称な非線形層設計の重要性が明らかになった。
• 結果から、非線形グラフェンベース波ガイドが再構成可能なTHzプラズモニクスデバイスのプラットフォームとして実現可能であることが確認された。