[论文解读] Novel analytical model of anisotropic multi-layer cylindrical waveguides incorporating graphene layers

Mohammad Bagher Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 69被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种新型解析模型，用于分析在轴向磁场偏置下，嵌入磁性材料之间的石墨烯层的各向异性多层圆柱波导。通过通用矩阵公式，推导出色散关系以计算有效折射率和传播特性，展示了在10–40 THz频段内具有优异一致性的强太赫兹波导性能，验证了分析结果与仿真结果的高度吻合，从而实现了对可调谐等离子体器件（如调制器和传感器）的高效设计。

ABSTRACT

We propose a novel analytical model for anisotropic multi-layer cylindrical structures containing graphene layers. The general structure is formed by an aperiodic repetition of a three-layer sub-structure, where a graphene layer, with an isotropic surface conductivity, has been sandwiched between two adjacent magnetic materials. An external magnetic bias has been applied in the axial direction. General matrix representation is obtained in our proposed analytical model to find the dispersion relation. The relation will be used to find the effective index of the structure and its other propagation parameters. Two special exemplary structures have been introduced and studied to show the richness of the proposed general structure regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects. A series of simulations have been conducted to demonstrate the noticeable wave-guiding properties of the structure in the 10-40 THz band. A very good agreement between the analytical and simulation results is observed. The proposed structure can be utilized to design novel plasmonic devices such as absorbers, modulators, plasmonic sensors and tunable antennas in the THz frequencies.

研究动机与目标

• 开发一种通用的解析框架，用于分析包含石墨烯和磁性材料的各向异性多层圆柱波导。
• 模拟轴向磁场偏置对层状圆柱结构中电磁波传播的影响。
• 利用矩阵方法推导色散关系，以精确计算有效折射率和传播参数。
• 通过具体示例结构展示模型能力，揭示丰富的等离子体现象。
• 通过与仿真结果对比验证分析结果，确立该结构在太赫兹等离子体器件中的应用潜力。

提出的方法

• 建立通用矩阵表示，描述多层圆柱结构中电磁场的传播行为。
• 在周期性重复的三层子结构中，使用各向同性表面电导率模型描述石墨烯层。
• 引入轴向磁场偏置，使周围磁性材料产生各向异性。
• 从矩阵公式推导色散关系，以确定有效折射率和传播常数。
• 将该模型应用于两种典型结构配置，以研究等离子体波现象和波导行为。
• 通过在10–40 THz频率范围内进行广泛仿真，验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁性材料之间引入石墨烯层如何影响圆柱波导中的色散特性？
• RQ2 轴向磁场偏置对所提出多层结构中有效折射率和传播模式有何影响？
• RQ3 与数值仿真相比，该解析模型在多大程度上能准确预测波导行为？
• RQ4 在不同层状配置和偏置条件下，该结构中会涌现出哪些等离子体现象？
• RQ5 该模型能否支持实际太赫兹等离子体器件（如调制器和传感器）的设计？

主要发现

• 在10–40 THz频率范围内，分析模型与仿真结果高度一致。
• 该结构在10–40 THz频段内表现出优异的波导性能，可实现高效的模式限制。
• 轴向磁场偏置实现了对有效折射率和传播特性的可调谐控制。
• 两种典型结构配置展示了丰富的等离子体波现象，包括模式混合与场强局域化。
• 该模型支持在太赫兹频段设计可调谐等离子体器件，如调制器、传感器和吸收器。
• 基于矩阵的公式化方法为分析复杂各向异性多层圆柱波导提供了一般性与可扩展性方案。