东南大学先进光子学中心changgui lu等–通过动态控制石墨烯中载流子密度空间分布的等离子体激元调制器

纳米尺度的光-物质相互作用对未来的光子集成电路和器件具有特殊的意义，应用范围从通信到传感和成像。我们提出了一种等离子体激元调制器，通过动态控制载流子密度在纳米尺度上的空间分布来增强光-物质相互作用，并通过一个混合石墨烯-介电-光栅结构来证明。数值计算结果表明，利用外加电压和光栅周期可以有效地调制表面等离子体激元(SPPs)。理论上，该调制器也可以在超宽带上工作，因为散射效应与波长无关。与通过改变整个载流子密度的调制器相比，在工作波长为12.4 μm时，通过控制载流子在纳米尺度上的密度空间分布的调制深度提高了约18.6 dB。该等离子体激元调制器在纳米尺度上触发了增强光-物质相互作用的方法，显著提高了调制深度，在光开关、传感器和光检测等领域具有潜在的应用价值。

图1. 调制器的三维原理图。石墨烯中载流子密度的空间分布由光栅与石墨烯之间的电压控制，因此可以有效地对传播的SPPs进行调制。

图2. 模拟示意图，用石墨烯中的周期分布费米能级模拟载流子密度(n_g)空间分布，用光学传输来说明被检测信号的情况。

图3. 工作波长为8 μm时，(a) ON (b) OFF状态下的电场分布分量。

图4. 光传输与外加电压之间的关系。

图5. 周期为(a) 115 nm (b) 128 nm的电场分布分量，(c) y方向的电场强度分布(d)不同周期时的光传输。

图6. (a)控制全载流子密度的调制器示意图，费米能级为(b)0.9 eV、(c) 0.3 eV 、(d)0.9 eV和0.3 eV时的电场分布分量，(e)不同方法的光传输随波长的变化。

相关研究成果由东南大学先进光子学中心Changgui Lu等人于2022年发表在Optics Communications (https://doi.org/10.1016/j.optcom.2022.128093)上。原文：A plasmon modulator by dynamically controlling the spatial distribution of carrier density in graphene。