基于双层石墨烯混合波导的可调谐双频带、偏振不敏感相干完美吸收器

摘要

石墨烯在可见光和红外中的固有 2.3% 吸收限制了其光电影响力。我们提出一种工作在中红外的可调谐双频带、偏振不敏感相干完美吸收器（CPA），核心为硅纳米结构耦合的双层石墨烯波导。有限差分时域（FDTD）仿真揭示在 9611 nm 和 9924 nm 处实现完美吸收峰。结构的中心对称保证偏振独立性，而相干吸收可通过调节两束逆向传播光束的相对相位全光调控。此外，独立调节两层石墨烯的费米能级可在宽光谱范围移动吸收峰，实现双频带与窄频带操作的转换。结果指向通用、CMOS 兼容的中红外光子器件，如开关、逻辑门和相干光电探测器。

引言

原子级薄材料中的高效光-物质相互作用是下一代光子学的关键。虽然过渡金属二硫属化物、六方氮化硼和黑磷展现强激子响应，但石墨烯凭借宽带光学电导率和高载流子迁移率仍是独特平台。单层石墨烯仅吸收 ~2.3% 入射光，但在太赫兹和中红外激发表面等离激元极化子（SPP）可显著增强约束和吸收。因此石墨烯基吸收器、调制器和传感器引发强烈研究兴趣。

相干完美吸收（CPA）通过利用逆向传播波的干涉消除吸收损耗，提供了一条新路径。石墨烯中 CPA 已在硅板和平面超材料中演示，但中红外双频带操作鲜有探索。本文设计一种对称性工程的 CPA，在两个不同波长同时实现完美吸收，并全面控制偏振、相位和光谱位置。

方法

器件包含两层连续石墨烯单层，位于二氧化硅衬底上，中间隔 75 nm 二氧化硅间隔层（图 1）。顶层石墨烯上方置 160 nm 周期硅方阵（边长 80 nm，高 100 nm）。底层石墨烯位于衬底下方 150 nm 处。两束相干平面波（I1 和 I2）从相反两侧入射；其相对振幅（α）和相位（φ）定义为 I2=αI1 exp(iφ+ikz)。石墨烯电导率遵循局域随机相位近似：

\[\sigma(\omega)=\frac{ie^2k_BT}{\pi\hbar^2(\omega+i\tau^{-1})}\Big[\frac{E_f}{k_BT}+2\ln(e^{-E_f/k_BT}+1)\Big]+\frac{ie^2}{4\pi\hbar}\ln\Big[\frac{2E_f-(\omega+i\tau^{-1})\hbar}{2E_f+(\omega+i\tau^{-1})\hbar}\Big]\]

其中 T=300 K，E_f 为费米能级，τ=μE_f/eν_f²，μ=10000 cm² V⁻¹ s⁻¹，ν_f=1.1×10⁶ m s⁻¹。上下层费米能级分别设为 E_f1=0.66 eV 和 E_f2=0.31 eV。

采用三维 FDTD，横向周期边界条件，传播轴向完美匹配层。非均匀网格（石墨烯处 0.1 nm）在保证数值精度的同时控制计算负荷。

结果与讨论

单入射光束下，器件展现双频带吸收峰，但低于理论上限 50%（A_max=0.5），确认单层石墨烯无法达完美吸收。当两束逆向传播光束干涉时，散射矩阵形式给出相干吸收：

\[A_{co}=1-\frac{|O_1|^2+|O_2|^2}{|I_1|^2+|I_2|^2}=1-\frac{1+\alpha^2-2\alpha\cos\varphi}{2(1+\alpha^2)}.\]

设 α=1、φ=0 可在 λ₁=9611 nm 和 λ₂=9924 nm 实现完美吸收（A_co=1）（图 3）。器件中心对称使其偏振不敏感；p 和 s 偏振光产生相同光谱。

相位调谐提供全光调制：φ 从 0 变至 π 将吸收峰抑制至接近零，调制对比度超 34 dB（图 5）。独立调节各石墨烯层费米能级可移动共振位置：降低 E_f2 使 λ₁ 红移同时抑制 λ₂；增加 E_f2 作用相反，实现双频带与窄频带切换。同理，调节 E_f1 可在宽光谱范围均匀移动双峰（图 6）。

结构参数研究显示：增大硅方块宽度 w 红移共振并先增强吸收至填充因子饱和后效率下降；增大周期 p 也红移峰值。间隔层厚度 d₁ 控制层间耦合；超临界值后双频带行为坍缩为单峰。用高折射率介质（TiO₂、GaSb）替代硅可红移共振但降低峰值吸收（图 7）。

结论

我们设计了一种 CMOS 兼容、可调谐的中红外双频带 CPA，兼具偏振不敏感和全光控制。双层石墨烯混合波导耦合硅纳米结构，在 9611 nm 和 9924 nm 实现完美吸收，支持相位依赖调制和费米能级控制的宽谱可调性。连续石墨烯层保持高迁移率并简化制造，优于图案化结构。该平台为中红外光子器件（开关、逻辑门、相干探测器）开辟新路径。