增强的群延迟的脉冲反射与石墨烯表面等离子体通过修改奥托配置

文摘

摘要群延迟的横磁(TM)极化波反射从修改奥托配置与石墨烯表面等离子体理论研究。研究结果表明,这种结构的光学群延迟可以增强的消极和可以从消极到积极将表面等离子体的激发石墨烯。很明显,负的群延迟可以积极调整通过石墨烯的费米能级。此外,延迟属性也可以被改变石墨烯的弛豫时间或耦合棱镜和石墨烯之间的距离。这些可调延迟特性是有前途的捏造grapheme-based光学延迟设备在太赫兹政权和其他应用程序。

1。介绍

光脉冲的群延迟特性遍历一个系统一起延迟控制技术得到了广泛的研究兴趣,由于它们的重要性在光通信1,2]。脉冲延迟控制技术使独特的微/ nanodevices小说功能。上面的群延迟特性的潜在应用包括实现可控延迟(3),任意角度波束形成(4],利用缓冲区(5]。各种技术和方法一直在探索实现可调谐和大群延迟为了达到非凡的现象描述为“光速效应”和“超光速效应”在不同的频率范围,如电磁感应透明(EIT)系统(6],弱吸收介质[7),法布里-珀罗腔的配置(8),超材料板(9),等等。与subluminality相比,superluminality表现为负的群延迟继续吸引关注由于违反直觉的现象和可能的应用程序。例如,Manipatruni等人意识到硅晶片上的超光速传播相结合利用相干之间的交互(10];蔡等人报道了一个改进的前馈放大器采用超光速延迟电路(11]。最近,姚明等人通过实验演示了一个负的群延迟的方法在圆波导系统与非对称十字形的开槽的配置(12]。然而,要求开发光学延迟方法与大的延迟时间,高站得住脚,容易集成光通信是不断增加的。

近年来,石墨烯二维原子晶体材料,得到了广泛的关注领域的光电由于其优异的光学和电学性质,如零距离特征(13),电可调谐性(14,15)、低损失(16,17),和强大的非线性响应(18),等等。值得一提的是,石墨烯可以支持TM极化的存在和横电(TE)偏振表面等离子体极化声子传播以及石墨烯(许可证),根据石墨烯导电率的虚部的标志19]。这个特性可以显著提高件轻松事相互作用[20.),进一步丰富了其应用太赫兹(太赫兹)和红外光谱(21- - - - - -23]。众所周知,大群时延通常是附近发现的共振结构。因此,石墨烯,表面等离子体明显的组合似乎是另一个候选人实现和操作可调群延迟设备。

本文提出并从理论上证明了有可能实现和操作大型反映光脉冲的群延迟修改奥托配置与石墨烯表面等离子体的太赫兹政权。这个大反映群延迟源于当地突然相变界面的两个单层石墨烯由于电介质表面等离子体的激发。特别是,由于石墨烯的光电导率可以动态操纵不同费米能量,对应的光速和超光速的效果可以不断调整频率的政权。途径提出了旨在操纵反映群延迟的太赫兹脉冲,这将激发潜在的各种各样的应用程序(24- - - - - -26),特别是对于传感技术和太赫兹延迟设备。

2。理论模型和方法

在本节中,一个衰减全反射方案令人兴奋的许可证是在考虑使用修改奥托配置(27],介电层的折射率和厚度放置衬底。介质板2是由单层石墨烯。介质板2和耦合棱镜之间有介质板1的厚度如图1,在那里方向入射方向,方向平行于飞机的单层石墨烯。和的折射率介质板1和介质的折射率板2,分别。和是耦合棱镜的折射率和衬底的折射率。促进激励的许可证,介质板1被认为是较低的一层空气折射率和小厚度。在以下的计算,中心频率太赫兹、温度 K和弛豫时间 ps。此外,为了抑制入射电磁波的吸收造成的许可证的激发,介质板1和介质板2的厚度在配置设置μm和μm,分别。同时,为了促进许可证的激发,介质板1和2被认为是低折射空气和不会材料,其各自的指标 和 ,分别。此外,高折射率材料在太赫兹光谱用于耦合棱镜和衬底。更具体地说,锗材料的折射率 )选择棱镜和底物在这个研究。为了简单起见,介电损耗不考虑,这意味着折射率的虚部为零。单层石墨烯的光学特性可以用光学电导率。随机相位近似下,石墨烯的表面电导率可以视为interconductivity和intraconductivity之和28]。然而,石墨烯的表面电导率在太赫兹频率由intraconductivity。这时,可以近似表示为石墨烯电导率 在哪里 , , ,和代表电子电荷,玻耳兹曼常数,温度,和减少了普朗克常数,分别;表示角入射电磁波的频率;和代表电子声子弛豫时间和石墨烯的费米能级,分别。上述方程表明,石墨烯的电导率性质密切相关的费米能级,和费米能级的价值可以通过外部调整电压,它提供了一种手段灵活调整光导电性的石墨烯的光学特性,进一步优化整个配置。

为了计算反射的群延迟的属性配置,整个配置的传输和反射特性也是必需的。单原子层石墨烯的特征的基础上,本文采用修改后的传递矩阵法计算的透射率和反射率的配置(29日]。摘要作为单原子厚度的石墨烯是,其电导率特性可以反映在边界条件。出于这个原因,TM极化介质板之间的传输矩阵可以表示为1和介质板2 在这个方程, , ,在那里和代表波向量的分量和在电磁波的传播方向; , ,和真空介电常数,介电常数介质板1,分别和介电常数的介质板2。同样,TE偏振传输矩阵给出了在29日]。然而,值得注意的是石墨烯可以激发TE极化和TM偏振许可证,这是完全不同于金属,后者只能激发TM偏振许可证。但是这两个偏振激动人心的光谱不应在同一光谱(19,本研究只考虑TM偏振脉冲反射群延迟。基于传输矩阵和传播矩阵传播的介质层,整个配置的透射系数和反射系数。如果假定为高斯脉冲入射脉冲,反射的群延迟的配置可以表示为 在这里,是载波频率,反射系数的阶段吗 ,和 。

3所示。结果和讨论

3.1。反射系数和色散关系

在本节中,反映了群时延的特点将讨论配置。在无损的配置和介质,零反射共振( )将使反射的延迟在共振物理意义。然而,当单层石墨烯是嵌入电介质层的接触表面兴奋许可证,反射将变得非常小,但不会变成零,和的斜率反映阶段也会被改变。因此,实现大型反射群延迟创造条件。此外,可调光学特性使石墨烯的可控脉冲延迟增强相当大的优势。在接下来的计算,假设费米能量满足 电动汽车。首先,整个配置的反射特征见图2(一个)。单层石墨烯失踪时,激活许可证在配置是不可能的。因此,只有一个反射浸布儒斯特角()的角度改变,反射中。但是,当入射角大于布儒斯特角,整个配置的反射近100%是由于全反射。与此同时,随着介电损失是被忽视的,透光率几乎为零(图中没有显示)。然而,当石墨烯嵌入的配置和激发许可证通过适当的波矢量匹配,第二个反射率下降发生在54°大于布儒斯特角附近。如图2(一个)蘸狭窄和反射率接近为零。描述倾斜的产生机制,一个许可证色散特性曲线的配置是基于边界条件,如图2 (b)。根据这条曲线,在本文提出的配置许可证的有效折射率支持激励 当入射频率=太赫兹。因此,可以推断,许可证是位于的激发 °,与浸在图的位置一致2(一个)。

3.2。费米能级对群时延的影响

许可证的励磁奥托配置为大型反射群延迟的发生创造了条件,从而使陡峭的反射相位激发位置,从而使它可能有大群延迟反映出来。反射,反射相位和群延迟反映在配置所有随频率;变化关系如图3。为了方便起见,假设入射角为54°。如图3(一个),一个了不起的发现反射的激发光谱许可证,许可证的激发。这个下降是导致交互的反射系数的实部和虚部。频率附近激发许可证,真正的零反射方法的一部分,而虚部有一个显著的单调增加,导致陡峭的单调下降趋势reflectance-based反映阶段许可证附近激发频率,如图3 (b)。根据(3),上述现象将导致大的负的群延迟,如图3 (c)。因此,可以推断,上面反映群延迟ps可以实现当费米能量满足太赫兹 电动汽车。基于石墨烯的光电导电可调特性,可以灵活配置的群延迟特性被调整石墨烯的费米能级。当费米能级降低,会有蓝移。反映阶段将陡峭,这将进一步增强反射的群延迟的负面价值。例如,当费米能级 电动汽车,反射的群延迟可以达到ps。这些电可调的特点反映群延迟提供一种设计手段灵活可控延迟设备。

3.3。数值验证

为了证明的正确性体现群延迟从图中获得3,数值模拟脉冲的群延迟反映在整个配置基于傅里叶变换方法进行。设定为高斯脉冲入射脉冲的电场表达式可以表示为 (30.),和代表时间的高斯脉冲的宽度和中心频率,分别。相应的傅里叶谱的高斯脉冲可以写成 。选择大时间宽度减少脉冲畸变在频域反射的配置。在本文中,假设 ps。反射脉冲的群延迟的值可以通过计算获得定量变化反映脉冲和频率之间的关系。图4说明数值结果的归一化群延迟在不同费米能量,对应于图吗3。可以看出,仿真获得的反映组延迟时间与费米能量有密切的关系。的群延迟时间ps(图4(一)),ps(图4 (b)),ps(图4 (c)),ps(图4 (d))可以获得的 电动汽车, 电动汽车, 电动汽车, 电动汽车。群延迟时间与图中的结果是一致的3,这也进一步证明了图的延迟时间的正确性3。

3.4。其他参数对群时延的影响

根据(1),石墨烯的弛豫时间也有关键影响石墨烯的光电导特性,因为石墨烯的光电导率的实际价值是强烈依赖 。此外,光电导的变化会影响反射系数通过传递矩阵,从而影响反映阶段和群延迟反映出来。因此,反射相位和群延迟反映也敏感的弛豫时间 。这些特征提供了新的手段,调节反射脉冲的群延迟特性。的变化规律反映了相位和群延迟反映在不同弛豫时间呈现在图5。费米能级的影响反映了不同阶段,反映了群时延,弛豫时间对反映群延迟的影响主要集中在延迟时间的长度,而不是频率。此外,发现石墨烯的弛豫时间的变化可以实现反映阶段的单调的逆转,从而实现转换的正面和负面的价值反映了群时延。如图5(一个)石墨烯是失踪的配置时,谐振频率附近的反映阶段是一个小值几乎没有变化。在这种情况下,群延迟时间也会很小。然而,当石墨烯是包含在这个配置中,即使很小的弛豫时间可以反映阶段近似为零,具有单调递减特征共振频率附近。这个属性表明,配置大负延迟时间在谐振点附近,这负延迟时间会增加明显的共振频率附近增加弛豫时间。特别是反映阶段将单调递增共振频率附近由于纯虚构的特点石墨烯的导电性,因此积极反映群延迟提供条件。这个可调特性是一种有效的手段将延迟时间符号。然而,应该注意的是,这将是非常难以改变的弛豫时间配置后实际的群延迟设备的准备。固定配置,因此,弛豫时间没有调优的群延迟特性影响整个配置。

在接下来的部分,奥托的参数配置的影响总体上反映了群时延将讨论。结论可用于设计合理的群延迟的重要参考设备。图6的等高线图是反映群时延不同频率下介质板1和2的厚度。相比之下,发现不同厚度的介质板有不同的影响反映群延迟,而呈现不同的特征。介质板1直接影响许可证的激励;因此其厚度的变化非常敏感的特点,反映了群时延。如图6(一)当厚度大(例如,超过μ米),激动人心的许可证的条件不能满足和群延迟近似为零。相比之下,反射的群时延会增加极大的降低厚度,它可能达到令人难以置信的ps约μm。与此同时,大负延迟将陪同狭窄的群延迟带宽。然而,进一步减少的厚度可能会导致延迟时间的跳跃的象征,从而实现大积极反映群延迟。不同介质板1、介质板的厚度的变化2有一个相对简单的对反映群延迟的影响。1介质板的厚度不变,适当的增加可以显著提高反射的群延迟的负值,共振频率向高频方向。但当的厚度达到一定水平时,反射的群延迟价值和共振频率会稳定。因此,可以得出结论,一个合适的厚度是一个必要条件来获取一个增强反映了延迟,设计中应考虑的相关延迟设备。

4所示。结论

摘要增强群延迟的脉冲反射是调查和表面等离子体很兴奋奥托配置修改。发现反映了延迟时间可以达到的最小值ps共振角附近。仿真结果表明,剧烈变化的阶段获得的表面等离子体的激发与石墨烯增强的主要因素和调优的群延迟特性反映出来。增强的群延迟取决于石墨烯的导电性特征在中心频率。研究结果表明,群延迟取决于耦合棱镜和石墨烯之间的距离,和衬底的厚度,上面巨大的延迟是观察。这些发现可能提供一个有效的方法来提高光脉冲的群延迟和操纵延迟属性提供了一个可行的途径。相信在太赫兹波段可调反射群延迟可能导致光学延迟设备的应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的部分湖南科技计划项目:光伏逆变器系统的关键技术研究(2015 gk3035),中国国家自然科学基金(批准号11647135和11647135),湖南省教育部门的科学研究基金(批准号17 c0945),湖南师范大学大学生创新计划(批准号2017090)。

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