基于双层石墨烯混合波导的可调双波段和偏振不敏感相干完美吸收器

介绍

作为纳米光子学和光电子学的一个关键问题，有效的光-物质相互作用近年来引起了广泛关注 [1, 2]，特别是在原子级薄的二维 (2D) 材料中。许多报道已经得到证实，例如过渡金属二硫属化物（TMDCs）[3, 4]，石墨烯[5,6,7,8,9]，六方氮化硼[10]，黑磷[11]等.作为原型 2D 材料，石墨烯可以与宽（紫外线到太赫兹）波长范围内的光相互作用。然而，由于其天然的无间隙锥形电子能带结构 [12]，石墨烯中光的吸收效率低至约 2.3%。幸运的是，石墨烯的光学带隙可以通过掺杂或使用其他特殊方法打开，从而激发太赫兹和红外波段的表面等离子体激元 (SPP) [13]。然后，由于激发的 SPP，石墨烯中光的吸收和限制可以显着增强，这可以延长石墨烯与光之间的相互作用时间 [14,15,16,17,18,19]。因此，石墨烯等离子体器件已成为一个有趣且重要的课题，并且在吸收器[17、18]、滤光器[20]、传感器[21]、调制器[22]和光电探测器等各个领域都得到了广泛的研究。 [23, 24]。

更具体地说，在这些基于石墨烯的器件中，光吸收体在开发先进的光电器件（如太阳能捕获器件和发射器）方面发挥着重要作用。最近，由于石墨烯的独特属性，一些基于石墨烯的吸收剂被报道。此外，如上所述，这些吸收剂中的大多数都集中在太赫兹和红外区域，因为经过特殊工艺处理的石墨烯可以激发 SPP，导致这些波长的光-石墨烯之间发生强烈的相互作用 [3]。例如，基于石墨烯，Luo 等人。 [25] 提出了一种具有超窄带的可调完美吸收器，它可以在广角入射下保持令人满意的性能。在参考。 [16]，通过将单层石墨烯嵌入超材料中，Xiao 等人。证明 EIT 模拟是在太赫兹范围内实现的，其共振强度可以在很宽的范围内灵活控制。江等人。 [26] 在太赫兹范围内设计、制造和研究了基于图案化石墨烯的宽带吸收器，在 1.54 至 2.23 THz 范围内实现了 90% 以上的吸收。为了以有效可行的方式操纵石墨烯的表面等离子体，Xia 等人。建议可以通过使用亚波长尺寸的导电正弦光栅来实现[19]。

重要的是，相干完美吸收体（CPA）是另一种控制和加强石墨烯光吸收的方法，由于全光调制特性而引起了极大的关注 [27, 28]。根据干涉效应和吸收的相互作用，CPA 提供了一种潜在的方法，可以在没有非线性的情况下用光操纵光。 Y. D. Chong 等人从理论上研究了具有散射矩阵的 CPA [29]。不久之后，在硅板[30]和平面超材料[31]中相继报道了两种CPA。最近，CPA 在基于石墨烯的设备中也得到了深入研究。例如，结合中心对称金属-石墨烯纳米结构，Y. Ning 等人。 [32] 研究了一种可调谐的偏振不敏感 CPA，并表明可以通过石墨烯的费米能量和入射光之间的相对相位灵活地全光调制吸收。通过在亚波长介电光栅中捕获导模谐振，X. Feng 等人。 [33] 实现了一种基于石墨烯的可调 CPA，它可以应用于从可见光到红外范围的广泛光谱范围。 Y. C. Fan 等。 [34] 在中红外区域利用基于石墨烯纳米带的超表面转化为 CPA，并证明可以通过改变石墨烯的性质和超表面的结构参数来灵活操纵这种 CPA。然而，基于双波段石墨烯的 CPA 对纳米光子学和光电子器件也具有重要意义，但很少在中红外区域进行研究。此外，如何提高其可调性也是双频CPA面临的挑战。

在本文中，我们设计并研究了中红外波段的可调双波段和偏振不敏感 CPA，它包含耦合在双层石墨烯波导中的硅阵列。通过散射矩阵分析了所设计的 CPA 的物理机制。同时，有限差分时域 (FDTD) 模拟证明了所提出的 CPA 的特征。当入射光照射到硅阵列中时，由于导模共振机制可以在双连续石墨烯薄膜上出现等离子体共振，然后它们之间的耦合效应导致完美的双带吸收峰，分别在 9611 nm 和 9924 nm 处实现。此外，由于其中心对称特征，所提出的吸收器还表现出对偏振不敏感。此外，大多数报道的基于石墨烯的吸收剂仅通过静电场、磁场或化学掺杂来改变石墨烯的特性，这是额外损耗的原因，也使器件更加复杂。对于我们提出的 CPA，可以通过改变两个反向入射光之间的相对相位来全光调制相干吸收，这提高了吸收器的可调性，并且不会增加结构的复杂性。同时，通过操纵两个石墨烯层的费米能量，两个相干吸收峰可以在很宽的光谱范围内移动，我们设计的 CPA 也可以从双频 CPA 变为窄带 CPA。因此，我们的工作为开关、全光逻辑器件和相干光电探测器等潜在应用提供了一种非常有前景的方法。

方法

如图 1 所示，在二氧化硅基底上有两层连续的石墨烯薄膜，它们被一层二氧化硅层隔开。同时，硅阵列放置在上石墨烯薄膜的顶部。这里，长度 (x -direction) 和宽度 (y -direction) 阵列中的每个硅方块都设置为 w =80 nm，如图 1c 所示。同时， x 中硅方块的周期 -direction 和 y -方向是 p =160 nm，厚度 (z 方格的方向）是 h =100 纳米。此外，二氧化硅垫片和基板的厚度为d 1 =75 nm 和 d 分别为 2 =150 nm。 我 1 和我 2 ，作为两个相干入射光，从两个相反的方向同时照射在所提出的 CPA 上，如图 1a 所示。 I之间的关系 1 和我 2 是我 2 =αI 1 exp(iφ + ikz )，其中 α , φ , 和 z 是 I 之间的相对幅度、相位差和相位参考点 1 和我 2 ， 分别。 哦 1 和 O 2 是从提议的 CPA 底部和顶部散射的出射光。此外，在我们的模拟中，两个石墨烯薄膜的厚度都设置为 0.34 nm，并且两个石墨烯薄膜的电导率都在局部随机相位近似内计算如下[35]：

其中 T =300K 是室温，E f 是费米能量。同时，内在弛豫时间被描述为 \( \tau =\mu {E}_f/\mathrm{e}{\upsilon}_f^2 \)，其中 υ f 是费米速度和 μ =10000cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ 是载流子迁移率。对于我们提出的结构，上下石墨烯薄膜的费米能量假定为 E f 1 =0.66eV 和 E f 2 =0.31eV , 分别。

一 双波段石墨烯基完美吸收器的示意图。 b 指定尺寸的侧视图。 c 指定尺寸的顶视图

在模拟中，我们利用 3D FDTD 方法进行数值计算。同时，沿 x 应用周期性边界条件 - 和 y -方向，并沿 z 应用完美匹配的图层 -方向包括所提议设备的顶部和底部。此外，我们利用非均匀网格来计算模拟结果，其中石墨烯层内部的最小网格尺寸为0.1 nm，并在石墨烯薄膜外逐渐增加，以减少存储空间和计算时间。

结果与讨论

首先，为了清楚地解释物理机制，我们研究了在只有一个入射光束 I 的正常照明下所提出的 CPA 的吸收 1 在 z -方向。由于基于石墨烯的 CPA 处于对称环境中，组合反射和透射系数可以表示为 r =η 和 t =1 + η , 分别, 其中 η 是与石墨烯混合波导相关的自洽振幅。因此，吸收被推导出为 A =1 − |r | ² − |t | ² =− 2η ² − 2η .最大吸收条件为∂A /∂η =0 (∂A ² /∂η ² 是实数和负数），我们得到 \( \eta =-\frac{1}{2} \)。那么，最大吸收的极限是A 最大值 =0.5。在我们的模拟中，当只有一个入射光束 I 由于双石墨烯薄膜上的等离子体共振，由于导模共振机制，入射光通过硅阵列产生等离子体共振，图 1 垂直照射在所提出的吸收体上，然后双石墨烯薄膜之间的耦合效应导致双波段吸收峰，如图2所示，但两个吸收峰均小于0.5，符合吸收极限。

具有费米能量 E 的拟议石墨烯基吸收剂的反射 (R)、透射 (T) 和吸收 (A) 光谱 f 1 =0.66 eV 和 E f 2 =0.31 eV 在只有一束入射光束I的照射下 1 在 z 方向

然后，当 I 1 和我 2 从相对的两侧垂直入射到所提出的结构上，示意图如图 1a 所示。同时，O 1 和 O 2 也可以假设为来自拟议 CPA 底部和顶部的出射光强度。入射光和出射光的关系由散射矩阵证明：

当满足非相干吸收极限时（即 r 11 =r 22 =− 0.5 和 t 12 =t 21 =0.5)，通过考虑关系I 2 =αI 1 exp(iφ + ikz ) 与 z =0，相干吸收A 提出的基于石墨烯的 CPA 的 co 表示为 [36]：

因此，根据方程。 (3)、A co 可以通过改变 α 来操作 和φ .特别地，如果 α =1, A co 可以从最小 A 开始调整 co − min =0 到最大值 A co − max =1 当 φ 从 (2N + 1)π 到 2Nπ .

如图 3 所示，当具有 φ 的两个入射光 =0 和 α =1 在所提出的结构上进行相干照射，在 λ 处可以实现双波段完美吸收峰 1 =9611 nm 和 λ 分别为 2 =9924 nm。此外，与仅在一束入射光束照射下的吸收相比，所提出的基于石墨烯的 CPA 的吸收得到了显着增强。值得注意的是，由于其中心对称特征，所提出的 CPA 还表现出对偏振不敏感。如图 3 所示，入射光是否带有 p 或 s 偏振，吸收光谱保持不变。

所提出的石墨烯基吸收剂在仅一束入射光束（红色曲线）照射下以及在 p 相干照射下的吸收光谱 极化（蓝色曲线）和s极化（黑色曲线）

为了清楚地展示所提出的 CPA 的特征，我们说明了在吸收峰波长处双层石墨烯波导周围的磁场。如图 4a、b 所示，两个石墨烯层周围的磁场都聚集并被困在吸收峰的波长处。然而，对于上石墨烯薄膜，磁场主要被限制在硅方块和上石墨烯薄膜之间，这对应于局域等离子体模式。此外，一旦在上层石墨烯膜下方添加另一层石墨烯膜，由于导模共振，光能将从上层转移到下层。然后，上石墨烯层和下石墨烯层之间的耦合效应增强了光场并将光能集中在所提出的结构中，从而导致双带吸收峰，如图 3 所示。另一方面，在波长 9000 nm 处，两层石墨烯薄膜周围几乎没有增强的光场，因为它远离共振波长，如图 4c 所示。

所提出的基于石墨烯的 CPA (a ) 在 λ1 =9611 nm, (b ) λ2 =9924 nm，并且 (c ) λ3 =9000 nm

接下来，为了显示全光调制特性，我们展示了具有不同相位差φ的拟议吸收体的相干吸收 ，如图 5 所示。同时，相对幅度 α 相干入射光的个数设为1，其他结构参数保持与图1相同。如图5a、b所示，通过增加φ 从 0 到 π，9611 nm 和 9924 nm 处的两个吸收峰分别从 0.982 和 0.993 连续减小到几乎为 0。因此，在具有不同φ的两个相干吸收峰处，调制对比度可高达34.8 dB和35.2 dB。 ，显示出显着的全光调制特性。

在 a 的峰值处具有不同相位差的拟议 CPA 的吸收 λ1 =9611 nm和b 分别为λ2 =9924 nm

下面，对于我们的四层（硅阵列-石墨烯波导/二氧化硅层/石墨烯薄膜/二氧化硅衬底）系统，结合连续边界条件和麦克斯韦方程，色散关系可以表示为[37]：

其中，ε 我 和 k 我 (i =1, 2, 3, 4) 是硅阵列-石墨烯波导 (i =1), 二氧化硅层 (i =2), 石墨烯薄膜 (i =3), 和二氧化硅衬底 (i =4)，分别。 d g 是石墨烯的厚度。因此，通过适当操纵两个石墨烯薄膜的费米能量，可以显着且独立地控制由两个石墨烯薄膜维持的等离子体模式的特征。如图 6a、b 所示，通过改变下层或上层石墨烯薄膜的费米能量，可以灵活且单独地控制所提出的 CPA 的吸收光谱。当费米能量 E f 上层石墨烯的 1 保持不变，费米能 E f 下层石墨烯的 2 从 0.31 减小到 0.27 eV，吸收峰位于 λ 1 红移并保持值几乎不变，而 λ 处的吸收峰 2 在E下迅速减少甚至消失 f 2 =0.27 eV，如图 6a 所示。相反，当 E f 2 从 0.31 增加到 0.37 eV，在 λ 处的吸收峰 1 在 E 下迅速减少并几乎消失 f 2 =0.37 eV，而在 λ 处的吸收峰 2 蓝移并保持该值几乎不变。因此，通过单独改变 E f 2. 另一方面，当 E f 2 保持不变并且 E f 1 从 0.62 增加到 0.72 eV，两个吸收峰都发生蓝移，并且在很宽的波长范围内保持它们的值几乎不变，这表明具有显着的可调特性。与其他基于离散石墨烯图案的吸收体相比，值得注意的是，所提出的 CPA 的两个石墨烯薄膜呈连续形式，更便于获得优异的可调性。

吸收光谱作为 a 的波长和费米能级的函数 下层石墨烯和b 上层石墨烯。其他结构参数同图1

此外，我们研究了不同结构参数对所提出的 CPA 光吸收的影响，如图 7 所示。由于每个硅方块作为局域等离子体模式的 Fabry-Perot 谐振器，谐振波长非常敏感到硅方块的宽度。因此，如图 7a 所示，当 w 增加，由于局域等离子体模式的有效共振波长的增加，双带吸收峰都发生红移。此外，填充因子会随着 w 的增加而增加 ，这进一步增强了相邻硅方块和内部石墨烯之间的场增强强度和浓度。因此，吸收效率将首先随着 w 而增加 .然而，随着填充因子的不断增加，太多的石墨烯区域会被硅方块覆盖。因此，吸收效率将随着 w 的增加而降低。然后，如图 7b 所示，随着 p 的增加，吸收峰也将明显红移 ，因为局域等离子体模式的共振波长变大。此外，注意到由下层石墨烯支持的等离子体模式的共振频率强烈依赖于分离距离d 1. 如图 7c 所示，当 d 1 增加，上层和下层共振模式之间的近场耦合强度将越来越弱，导致双波段吸收峰最终退化为一个峰。同时，我们还研究了不同介电阵列对所提出的 CPA 的吸收。如图 7d 所示，双频 CPA 的性能与 TiO2 阵列 (n T =2.9) 或 GaSb 阵列 (n G =3.8) 并不比硅阵列好。此外，值得注意的是，随着介质阵列折射率的增加，吸收峰的波长发生红移。

具有不同 a 的拟议 CPA 的光吸收 p , b w , c d 1、d 不同的介质阵列，分别。其他参数同图2

结论

如前所述，大多数报道的基于石墨烯的完美吸收体都是偏振敏感的，并且专注于窄带或宽带完美吸收体，很少在中红外区域研究基于双波段石墨烯的完美吸收体。在本文中，我们设计了一种在中红外区域可调的双波段和偏振不敏感 CPA，并通过使用散射矩阵和 FDTD 模拟讨论了相应的吸收特征，这表明双波段完美吸收峰是分别达到 9611 nm 和 9924 nm。此外，由于其中心对称特征，所提出的 CPA 还表现出偏振不敏感。同时，通过改变两个反向入射光之间的相对相位，可以对相干吸收峰进行全光调制。此外，通过操纵两个石墨烯层的费米能量，两个相干吸收峰可以在很宽的光谱范围内移动，我们设计的 CPA 也可以从双频 CPA 变为窄带 CPA。另一方面，对于所提出的 CPA，可以将基于硅方块的亚波长超材料集成到当前的 CMOS 技术中，并且可以使用标准转移技术将化学气相沉积 (CVD) 生长的石墨烯转移到二氧化硅层上 [38]。此外，与基于图案化石墨烯的器件相比，我们的结构使石墨烯保持连续形式，这有利于保持石墨烯的高迁移率并简化制造工艺和掺杂配置。近年来，一些研究小组尝试在基于上述方法的实验中设计一些基于石墨烯的器件 [39,40,41]。因此，我们相信可以用类似的工艺制造我们提出的结构，我们提出的基于石墨烯的 CPA 可以在中红外区域开发纳米光子器件领域找到一些潜在的应用。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

二维：

二维

CPA：

相干完美吸收体

FDTD：

有限差分时域

ITO：

氧化铟锡

SPP：

表面等离子体激元

TMDC：

过渡金属二硫属化物