[論文レビュー] Plasmonic Graphene Waveguides: A Literature Review

Mohammad Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 132被引用数 30

ひとこと要約

本レビューでは、電気的または磁気・電気併用バイアスを用いた矩形および円筒形のタイプに分類されるプラズモン的グラフェン波ガイドを検討し、4つの異なる構成を提示する。研究では、グラフェンの調整可能な伝導度が強いサブ波長光閉じ込めとガイドを可能にし、統合光子デバイス用途におけるこれらの波ガイドの電磁気的挙動の分類と分析に貢献している。

ABSTRACT

Large research articles based on graphene have been published in various areas since 2007 due to its unique properties. Among these designed structures, graphene-based plasmonic waveguides are one of the interesting subjects in communications. In this paper, a historical review of plasmonic graphene waveguides is presented. The graphene-based waveguides can be divided into two main categories 1- rectangular and 2- cylindrical waveguides. In both categories, graphene can be only electrically biased or magnetically and electrically biased simultaneously where the conductivity of graphene becomes a tensor in the second case. Therefore, we have four main categories for plasmonic graphene waveguides which are studied and discussed more precisely in this paper.

研究の動機と目的

• 2007年以降のプラズモン的グラフェン波ガイドの発展を体系的に分類・分析すること。
• 電気バイアスのみおよび磁気・電気併用バイアスの異なる条件下でのグラフェンベース波ガイドの電磁気的挙動を検討すること。
• 波ガイドを矩形および円筒形の幾何形状に分類し、それぞれが異なる励起および伝搬特性を示すことを分類すること。
• 統合光通信システム向けのグラフェンプラズモンイクス分野における主な進展を歴史的かつ技術的に概説すること。
• ナノスケール光子統合におけるプラズモン的グラフェン波ガイドの基本的設計原則と性能のトレードオフを特定すること。

提案手法

• 2007年以降に発表されたプラズモン的グラフェン波ガイドに関する査読付き論文の包括的レビュー。
• 波ガイドを4つの主要タイプに分類：電気バイアスを施した矩形型、磁気・電気バイアスを施した矩形型、電気バイアスを施した円筒型、磁気・電気バイアスを施した円筒型。
• 外部バイアス下でのマクスウェル方程式およびグラフェンの伝導度テンソルを用いて、各構成が支える電磁モードの分析。
• グラフェンの調整可能な表面プラズモン極化波（SPP）が、サブ波長モード閉じ込めと伝搬を可能にする役割の調査。
• 異なる波ガイド幾何形状およびバイアス方式における伝搬長、モードフィールド径、帯域幅特性の比較。
• 先行研究からの理論的モデリングおよびシミュレーション結果を活用し、波ガイド設計におけるトレンドと性能指標を統合的に分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる波ガイド幾何形状（矩形および円筒形）は、グラフェンにおける表面プラズモン極化波の閉じ込めおよび伝搬にどのように影響を与えるか？
• RQ2 電気バイアスと磁気・電気二重バイアスの違いが、グラフェンプラズモン波ガイドの調整可能性および性能に与える影響は何か？
• RQ3 磁気バイアス下でのグラフェンの異方的伝導度テンソルが、プラズモンモードの励起および伝搬に与える影響は何か？
• RQ4 4つの主要なプラズモン的グラフェン波ガイドカテゴリ間で、伝搬損失、モードサイズ、帯域幅に顕著な違いは何か？
• RQ5 低伝搬損失を維持しつつ強いサブ波長閉じ込めを実現するための基本的設計のトレードオフは何か？

主な発見

• 電気バイアスを施した矩形グラフェン波ガイドは、フェルミ準位の調整により可変な伝搬定数を持つ対称モードおよび反対称モードを支持する。
• 円筒形グラフェン波ガイドは径方向モードプロファイルを示し、高密度の電場閉じ込めを実現するウィスピングギャラリー型プラズモンモードを支持する。
• 磁気・電気二重バイアスにより、外部磁場を用いた非再帰的プラズモン挙動とモード制御が可能となり、イソレータ類似の機能が実現される。
• 磁気バイアスの導入により、グラフェンの伝導度がテンソルに変化し、ジロトロピック効果を生じさせ、表面プラズモンモードの偏光制御が可能になる。
• グラフェン波ガイドの伝搬損失は、周波数およびフェルミ準位に依存して数十～数百分の1ミリメートルの範囲にあり、中赤外周波数帯で低損失が実現される。
• グラフェンの表面プラズモン極化波による強い電場増幅のおかげで、数10ナノメートル未満のサブ波長モード閉じ込めが達成可能である。