[论文解读] 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 30

一句话总结

本文献综述探讨了等离子体石墨烯波导，将其分类为矩形和圆柱形两种类型，分别采用电激励或磁-电联合激励，形成四种不同配置。研究强调了石墨烯可调谐电导率在实现强亚波长光场限制与导引中的作用，重点在于对这些波导电磁行为的分类与分析，以支持集成光子学应用。

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.

研究动机与目标

• 系统性地对自2007年以来等离子体石墨烯波导的发展进行分类与分析。
• 研究在不同激励条件下（仅电激励与磁-电联合激励）石墨烯基波导的电磁行为。
• 将波导分类为矩形与圆柱形几何结构，每类具有独特的激励与传播特性。
• 提供石墨烯等离子体学在集成光通信系统中关键进展的历史与技术概述。
• 识别在纳米尺度光子集成中实现强亚波长限制的同时保持低传播损耗的根本设计原则与性能权衡。

提出的方法

• 对2007年以来发表的关于等离子体石墨烯波导的同行评审研究进行综合文献回顾。
• 将波导划分为四类主要类型：带电激励的矩形波导、带磁-电联合激励的矩形波导、带电激励的圆柱形波导，以及带磁-电联合激励的圆柱形波导。
• 利用麦克斯韦方程组和外加激励下石墨烯的电导率张量，分析每种配置所支持的电磁模式。
• 研究石墨烯可调谐表面等离子体极化激元（SPPs）在实现亚波长模式限制与传播中的作用。
• 比较不同波导几何结构与激励方案下的传播长度、模场直径与带宽特性。
• 利用先前研究中的理论建模与仿真结果，整合波导设计中的趋势与性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的波导几何结构——矩形与圆柱形——如何影响石墨烯中表面等离子体极化激元的限制与传播？
• RQ2 电激励与磁-电双激励对石墨烯等离子体波导的可调谐性与性能有何影响？
• RQ3 在磁激励下，石墨烯各向异性电导率张量如何影响等离子体模式的激励与传播？
• RQ4 四种主要类型等离子体石墨烯波导在传播损耗、模场尺寸与带宽方面有何关键差异？
• RQ5 在实现强亚波长限制的同时保持低传播损耗的根本设计权衡是什么？

主要发现

• 带电激励的矩形石墨烯波导支持对称与反对称模式，其传播常数可通过调节费米能级实现可调。
• 圆柱形石墨烯波导表现出径向模场分布，支持类似耳语画廊的等离子体模式，具有高场限制能力。
• 磁-电双激励可实现非互易等离子体行为与模式控制，通过外部磁场实现隔离器类功能。
• 引入磁激励使石墨烯电导率变为张量，实现旋光效应，从而实现表面等离子体模式的偏振控制。
• 石墨烯波导的传播损耗通常在数十至数百微米之间，具体取决于频率与费米能级，中红外频段损耗较低。
• 由于石墨烯表面等离子体极化激元的强场增强，可实现低至几十纳米量级的亚波长模场限制。