[논문 리뷰] TE-Polarized Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in Nonlinear Multi-layer Graphene-Based Waveguides: An Analytical Model

Mohammad Heydari|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 04.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 각 그래핀 시트가 킬러 유형의 비선형층 사이에 끼워진 비선형 다층 그래핀 기반 파손도에서 TE-편광 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)에 대한 분석 모델을 제안한다. 화학적 화학적 위치와 비선형 계수를 조절함으로써, 61 THz에서 효과적 인덱스가 82에 도달하며, 이는 THz 장치 설계를 위한 조절 가능한 플랫폼을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다층 그래핀 기반 파손도에 있는 TE-편광 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)을 연구하기 위한 분석 프레임워크를 개발하기 위해.
• 화학적 위치와 비선형 계수의 SPP 전파 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 일반 모델의 특수 케이스로 두 가지 새로운 비선형 그래핀 기반 파손도 구조를 제안하고 분석하기 위해.
• 향후 타이어레이저(THz) 포토닉스 분야에서의 응용을 고려하여 SPP 특성의 조절 가능성 입증하기 위해.

제안 방법

• 모델은 그래핀 시트와 킬러 유형 비선형성의 비선형 유전율을 가지는 다층 구조를 사용한다.
• 전기역학적 경계 조건을 해결하기 위해 전이 행렬 방법을 사용하여 해석적 해를 유도한다.
• TE-편광 SPP의 분산 관계는 횡방향 파수와 효과적 인덱스를 기반으로 하고, 그래핀의 도전도 및 비선형 유전율을 포함한다.
• 효과적 인덱스(neff)는 주파수, 화학적 위치(μc), 비선형 계수(γ)의 함수로 계산된다.
• 비선형 반응은 국소 전기장 강도에 따라 유전율이 변하는 킬러 유형 비선형성으로 모델링된다.
• 두 가지 특정 파손도 구조가 분석되었으며, 대칭 비선형층과 비대칭 구성 모두 강한 조절 가능성을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀의 화학적 위치는 다층 파손도에서 TE-편광 SPP의 전파 상수와 효과적 인덱스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유전체 층의 비선형 계수는 SPP 모드의 효과적 인덱스를 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ3 제안된 비선형 그래핀 파손도에서 TE-편광 SPP의 최대 도달 가능한 효과적 인덱스는 얼마인가?
• RQ4 대칭 및 비대칭 비선형 층 배열은 SPP의 국소화 및 전파 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 구조는 실용적인 조절 가능성을 갖추고 타이어레이저 주파수에서 고효과적 인덱스 SPP 모드를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 두 번째로 제안된 구조에서 화학적 위치 0.15 eV, 비선형 비율 0.8 조건에서 61 THz 주파수에서 효과적 인덱스(neff)가 최대 82에 도달한다.
• 화학적 위치와 비선형 계수 조절을 통해 SPP의 전파 특성이 매우 유연하게 조절 가능하여, 모드 국소화와 위상 속도에 대한 동적 제어가 가능하다.
• 제안된 파손도는 강한 전기장 국소화와 높은 효과적 인덱스를 지원하여, 소형 THz 장치에 적합한 강한 빛-물질 상호작용을 나타낸다.
• 해석적 모델은 복잡한 비선형 다층 그래핀 시스템에서 TE-편광 SPP의 분산 특성을 성공적으로 예측하였다.
• 두 번째 구조는 첫 번째 구조보다 더 높은 효과적 인덱스와 뛰어난 조절 가능성을 보이며, 이는 비대칭 비선형 층 설계의 중요성을 입증한다.
• 결과는 비선형 그래핀 기반 파손도를 재구성 가능한 THz 플라즈몬 장치 플랫폼으로 사용할 수 있음을 확인한다.