[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种用于非线性多层石墨烯基波导中TE偏振表面等离子体极化激元（SPPs）的解析模型，其中每个石墨烯层被夹在克尔型非线性介质层之间。通过调节化学势和非线性系数，有效折射率在61 THz时达到82的高值，展示了可调谐的太赫兹器件设计平台。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于研究具有非线性克尔型介质层的多层石墨烯基波导中TE偏振表面等离子体极化激元（SPPs）的解析框架。
• 研究化学势和非线性系数对SPP传播特性的影响。
• 提出并分析两种新型非线性石墨烯基波导结构作为通用模型的特例。
• 展示SPP特性在太赫兹（THz）光子学潜在应用中的可调性。

提出的方法

• 该模型采用多层结构，交替排列石墨烯层和具有克尔型非线性的非线性电介质层。
• 利用传递矩阵法求解分层结构中的电磁边界条件，推导出解析解。
• 基于横向波矢和有效折射率，建立TE偏振SPP的色散关系，结合石墨烯的电导率和非线性介电常数。
• 将有效折射率（neff）计算为频率、化学势（μc）和非线性系数（γ）的函数。
• 通过克尔型非线性模型描述非线性响应，其中介电常数依赖于局域电场强度。
• 分析了两种特定波导结构：一种为对称非线性层结构，另一种为非对称结构，两者均表现出强可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯的化学势如何影响多层波导中TE偏振SPPs的传播常数和有效折射率？
• RQ2 介质层的非线性系数在多大程度上可调制SPP模式的有效折射率？
• RQ3 在所提出的非线性石墨烯波导结构中，TE偏振SPPs可实现的最大有效折射率是多少？
• RQ4 对称与非对称非线性层排列如何影响SPP的局域化和传播特性？
• RQ5 所提出的结构是否能在太赫兹频率下支持高折射率SPP模式并具备实际可调性？

主要发现

• 对于第二种提出的结构，在化学势为0.15 eV、非线性比为0.8时，有效折射率（neff）在61 THz频率下达到最大值82。
• 通过调节化学势和非线性系数，SPP的传播特性具有高度可调性，可实现对模场局域化和相速度的动态控制。
• 所提出的波导结构支持强场局域化和高有效折射率，表明其具有强光-物质相互作用，适用于紧凑型太赫兹器件。
• 该解析模型成功预测了复杂非线性多层石墨烯系统中TE偏振SPPs的色散特性。
• 第二种结构相比第一种表现出更优的可调性和更高的有效折射率，凸显了非对称非线性层设计的重要性。
• 结果证实了利用非线性石墨烯基波导作为可重构太赫兹等离子体器件平台的可行性。