【摘 要】
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硅基光电子学的发展为解决目前集成电路所面临的量子效应等问题提供了新方向。但由于衍射极限的存在,传统光电器件的尺寸难以缩小到与微电子器件相同量级的尺度范围内,这严重制约了光电器件集成度的提高。表面等离激元是沿着导体-介质界面方向传播的倏逝电磁波,其可以突破衍射极限,将光波场紧密限制在金属表面,是实现具有亚波长限制光电器件的有效手段。石墨烯是具有诸多优异特性的新型低维材料,石墨烯表面等离激元相比金属表
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硅基光电子学的发展为解决目前集成电路所面临的量子效应等问题提供了新方向。但由于衍射极限的存在,传统光电器件的尺寸难以缩小到与微电子器件相同量级的尺度范围内,这严重制约了光电器件集成度的提高。表面等离激元是沿着导体-介质界面方向传播的倏逝电磁波,其可以突破衍射极限,将光波场紧密限制在金属表面,是实现具有亚波长限制光电器件的有效手段。石墨烯是具有诸多优异特性的新型低维材料,石墨烯表面等离激元相比金属表面等离激元具有低损耗、可调谐等优异特性。波导和调制器是硅基光电芯片中的核心器件,起着光互连和信号调制的重要作用。本论文主要研究了基于表面等离激元的具有深亚波长限制的混合等离子体波导和基于石墨烯表面等离激元的相位调制器。本文的主要工作有:（1）从硅基光子学研究的意义出发,论证了基于表面等离激元的混合波导和石墨烯调制器的研究意义,并对它们目前的发展现状进行了总结。（2）基于麦克斯韦方程组和电磁场边界条件,推导了半无限大空间中介质-金属界面的表面等离激元（SPP）色散关系。分析了金属的光频响应随入射光波长的变化规律。（3）为了解决目前混合波导中低传输长度、弱光场局域性的问题,在阐述混合波导相关概念的基础上,提出了一种新型的混合三棱柱等离子体波导结构。得益于独特的圆-三棱柱结构,该波导具有超紧凑光场模式,光场被紧密限制在纳米级的介质区域内。主要通过COMSOL软件仿真了波导的各个结构参数对其模式分布及传输特性的影响。通过结构优化,仿真结果显示在归一化模式面积小于0.012时,该波导传输长度可以达到290μm,说明其在具有深亚波长限制特性的同时保持了长传输距离。（4）基于久保公式,计算并分析了石墨烯费米能级、光电导的可调特性,推导了石墨烯表面等离激元色散方程。并以此为基础,结合平板电容模型、石墨烯SPP色散关系提出了基于石墨烯SPP的具有深亚波长限制能力的相位调制器模型。在太赫兹和近红外波段详细计算并分析了该调制器利用石墨烯SPP可调特性,通过改变外加偏压实现相位调制的机理。并通过COMSOL软件对该模型相位调制效果进行仿真。理论计算和仿真结果显示,该调制器在太赫兹和近红外宽频段范围内可以实现大角度相位变换,同时其调制功耗极低。
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