关键词：
表面等离激元
石墨烯超材料
偏振态
等离诱导透明
对称性破缺
摘要：
随着科技的飞速发展,传统电子芯片的发展已经接近极限。研究表明光子芯片在抗干扰能力,携带信息容量和传输效率方面均优于电子芯片。然而光子器件由于尺寸问题,无法与其他器件相匹配。此时,表面等离激元光子学作为融合电子学和光子学的新兴学科被提出。表面等离激元光子学的核心是表面等离子体（Surface plasmons,SPs）。SPs是材料表面的传导电子与光波里的光子之间的一种共振震荡波,能够突破光的衍射极限,以及将光局域在纳米范围内。而石墨烯具有动态可调性和SPs效应被广泛关注。本文以石墨烯为基础构建超材料,运用时域有限差分法（Finite-difference time-domain,FDTD）进行仿真模拟,并结合耦合模理论（Coupled mode theory,CMT）对仿真结果进行拟合,实现了等离诱导透明现象（Plasmons-induced transparency,PIT）和多重等离诱导透明现象（Multi-PIT）,并详细研究了入射光偏振和结构对称性破缺对等离诱导透明的影响。主要研究内容如下:
一、单层石墨烯超材料多重等离诱导透明及对称性破缺的影响。
提出了一种由竖直石墨烯条、水平石墨烯条和石墨烯环组成的单层石墨烯超材料,实现了可调谐的多重等离诱导透明（Multi-PIT,MPIT）。通过采用耦合模理论（CMT）和时域有限差分（FDTD）方法对MPIT进行分析和计算,两者结果基本相同。在得到的多重等离诱导透明三个频率f1=2.814 THz,f2=4.634 THz和f3=5.607 THz的退相时间分别为1.9 ps,2.7 ps和4.0 ps,通过调节石墨烯的费米能级可以实现具有三种调制模式的开关功能。另外,多重等离诱导透明的数目可以通过调整石墨烯超材料的几何参数、打破结构的对称性进行调节,详细的结果为:当两个石墨烯环与中心原点之间的距离同时从0.8μm增加到1.25μm时,双PIT（dual-PIT,DPIT）转换为单PIT（single-PIT,SPIT）。当上部石墨烯环与中心原点之间的距离从0.8μm增加到1.25μm,而下部石墨烯环与中心原点之间的距离保持不变时,DPIT成为三PIT（triple-PIT,TPIT）。当水平石墨烯条带的长度从0μm变为3.5μm时,TPIT变为DPIT,接着变为SPIT。上述所提出的结构和结果为光电开关和调制器的设计等应用提供指导。
二、石墨烯分裂环超材料多重等离诱导透明和偏振响应及对称性破缺的影响。
提出了一种由两个大石墨烯分裂环和两个小石墨烯分裂环构成的单层石墨烯超材料,实现可调的五重等离诱导透明现象（quintuple plasmon-induced transparency,QPIT）。通过动态调节石墨烯的费米能级,实现了五频异步,六频异步和六频同步电光开关。上述开关具有显著的性能特征,包括71.0%至90.0%的调幅度（amplitude modulation degree,AMD）和5.37 dB至9.8 dB的插入损耗、高灵敏度474 GHz/RIU。该超材料由于其结构的非中心对称性,表现出偏振态敏感的特征。最后,进一步研究了对称性破缺对QPIT的影响,结果表明,通过破坏结构的对称性,可以实现三PIT,四PIT,五PIT和六PIT的相互转化。上述结构和结果为电光开关、传感器和调制器的设计提供思路和方案。
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