基于石墨烯表面等离子激元回音壁模式研究-电子科学与技术专业论文.docx

摘要 摘要 华侨大 华侨大学硕士学位论文 1 1 2 2 摘要 表 面 等 离 子 回 音 壁 谐 振 腔 结 合 了 表 面 等 离 子 激 元 （ Surface Plasmon Polaritons，SPPs）和回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）微腔的特性， 因而具有高品质因子（Q 值）、小模式体积，成为了集成光电领域的研究热点。 基于金属的 SPPs 装置不便调节且损耗大，限制了具有优良性能的光子材料和装 置的发展。石墨烯被认为是除贵金属之外的又一种表面等离子材料。到目前为 止，在实验和理论上，已经证明石墨烯拥有低损耗、高限制、灵活性和易调节 性等特点。基于石墨烯的表面等离子回音壁模谐振腔在高灵敏传感器、低阈值 激光器、高效单光子源、非线性光学和腔量子电动力学等领域具有潜在的应用 前景。本论文主要从理论模拟上研究了基于石墨烯的谐振腔的模式特性，并分 析了品质因子和有效模式体积随着腔的几何参数（腔半径）、材料参数（电介质 材料的折射率）、石墨烯表面电导率参数（波长、豫驰时间、化学势）的变化规 律及其物理机制。 主要研究工作和成果如下： 1、在近红外光谱范围内，利用有限元方法数值模拟计算并分析了石墨烯包 层的 InGaAs 纳米线腔模式特性以及 Q 值和有效模式面积随着腔半径、波长和石 墨烯化学势的变化规律。研究结果表明：当其他参数一定时，纳米线腔的 Q 值 不随腔半径的增加而改变，腔的模式特性基本是由石墨烯电导率（腔波长或石 墨烯的化学势）决定。当化学势为 1.2 eV 时，在半径为 5 nm 的腔内，Q 值可以 0达到 235，而模式面积仅仅是 3.75?10-（5 0 小。 ??）2 ，比传统的介质回音壁模式微腔要 2、在中红外光谱范围内，利用有限元方法数值模拟计算并分析了石墨烯包 层的半导体纳米碟腔腔模式特性以及 Q 值和有效模式体积随着腔的几何参数、 材料参数、石墨烯表面电导率参数的变化规律。该腔的半径仅为 60 nm 和厚度 为 10 nm。研究结果表明：当石墨烯的化学势和豫驰时间分别为 0.9 eV、1.4 ps 时，在 250 K 以下，我们所提出的纳米碟腔的模式体积为1.4 ?10-（5 ??/2n）3 ，对 0应的腔 Q 值为 266，导致一个大的 Purcell 因子1.2 ?107 。同时，该纳米碟腔可以 通过改变石墨烯掺杂或者阈值电压来调节腔模式的特性。 0 3、在近红外光谱范围内，利用有限元方法数值模拟计算并分析了可调谐石 墨烯纳米谐振腔模式特性以及 Q 值和有效模式体积随着腔半径、腔频率、腔外 石墨烯化学势的变化规律。研究结果表明，石墨烯纳米腔支持表面等离子回音 壁模式。随着腔频率的升高，腔模式出现高阶模。该腔具有一个极小的模式体 积 -7 3 8 4.8 ?10（?0 /2n），对应的 Q 值大约在 136，导致一个大的 Purcell 因子1.7 ?10 ， 因此，腔内的自发辐射被增强。 关键词：表面等离子激元 回音壁模式 石墨烯 微腔 Abst Abstract 华侨大 华侨大学硕士学位论文 Abstract Surface Plasmon Polaritons (SPPs) -guided Whispering Gallery (WG) resonant cavity with high quality factor (Q value) and small mode volume becomes the research focus in the field of integrated nanophotonics. SPPs devices based on metals is inconvenient to adjust and have a great loss, which limit the development photonic materials and devices. So far, experimentally and theoretically, it has been proved that graphene and doped graphene has low loss, high limit, flexibility and regulatory. SPPs-guided WG resonant cavity based on graphene has potential application prospect in high sensitive sensor, low threshold lasers, high efficiency single photon source, nonlinear optics