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1、目 录中文摘要IIIABSTRACTIII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2石墨烯的简介21.3 基于石墨烯的表面等离子光波导的研究现状31.3.1 基于石墨烯的槽波导31.3.2涂覆石墨烯的纳米线波导41.3.3基于涂覆石墨烯的混合波导61.3.4涂覆石墨烯的hBN纳米线对波导71.3.5涂覆石墨烯的hBN多层介质波导81.4 分析方法81.5 论文的主要内容9第二章 涂覆单层石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导的模式特性分析112.1 理论模型及计算方法112.2 结果与讨论142.2.1 确定最低阶模式142.2.2 工作波长对模式特性的影响142.2.3 半长轴对模式特性的影响16
2、2.2.4 半短轴对模式特性的影响182.2.5 石墨烯的费米能对模式特性的影响202.3 结构对比212.3.1 波长对两个结构的影响212.3.2石墨烯的费米能对两个结构的影响222.4 本章小结22第三章 涂覆双层石墨烯的共焦椭圆介质纳米线的模式分析243.1 理论模型及计算方法243.2 结果与讨论273.2.1 确定最低阶模式273.2.2 工作波长对模式特性的影响283.2.3 石墨烯的费米能对模式特性的影响293.2.4 半长轴间距对模式特性的影响313.2.5 内层椭圆半长轴对模式特性的影响333.2.6 内层椭圆半短轴对模式特性的影响343.3 结构对比363.3.1 波长对
3、两个波导的影响363.3.2 石墨烯的费米能对两个波导的影响373.4 本章小结37第四章 总结与展望39参考文献41攻读学位期间取得的研究成果48致 谢49个人简况及联系方式50承 诺 书51学位论文使用授权说明52ContentsChinese AbstractIABSTRACTIIChapter 1 Introduction11.1 Research background and significance11.2 Introduction to graphene11.3 Research status of optical waveguide based on graphene surf
4、ace polaritons31.3.1 Graphene based groove waveguides31.3.2 Graphene-coated nanowire waveguides41.3.3 Graphene-based hybrid waveguides61.3.4 Graphene-coated hexagon boron nitride nanowire pairs waveguide71.3.5 Multilayer dielectric waveguide of graphene-coated hexagon boron nitride81.4 Research meth
5、od81.5 Main research contents9Chapter 2 Modes characteristics analysis of optical waveguides based on graphene-coated ellitical dielectric nanowire112.1 Theoretical model and calculation method112.2 Results and discussion142.2.1 Determination of the lowest order modes142.2.2 Effect of operating oper
6、ating on mode characteristics142.2.3 Effect of semi-major axis on mode characteristics162.2.4 Effect of semi-minor axis on mode characteristics182.2.5 Effect of the Fermi energy of graphene on the mode characteristics202.3 Comparison with nanowire212.3.1 Effect of wavelength on two structures222.3.2
7、 Effect of Fermi energy of graphene on two structures222.4 Summary of this chapter22Chapter 3 Modes characteristics analysis of waveguides based on three graphene-coated dielectric nanowires with axis non-coplanar243.1 Theoretical model and calculation method243.2 Results and discussion273.2.1 Deter
8、mination of the lowest order modes273.2.2 Effect of operating wavelength on mode characteristics283.2.3 Effect of the Fermi energy of graphene on the mode characteristics293.2.4 Effect of distance between semi-major axes on mode characteristics313.2.5 Effect of the semi-major axis of the inner ellip
9、se on mode characteristics333.2.6 Effect of the semi-minor axis of the inner ellipse on mode characteristics343.3 Structure comparison363.3.1 Effect of wavelength on two structures363.3.2 Effect of Fermi energy of graphene on two structures373.4 Summary of this chapter37Chapter 4 Summary and expecta
10、tion39References41Research achievements48Acknowledgments49Personal profiles and contact details50Letter of Commitment51Authorization statement52中 文 摘 要石墨烯是一种独特的光子学和电子学材料，作为一种单层碳原子的二维材料，与传统的光学材料相比，石墨烯有着诸多独特的光学特性，包括：可调的表面电导率，在中红外波段有超强的模式束缚性与电磁波耦合能力，是光子、电子学器件中广泛应用的一种新型材料，目前在波导、微带天线、调制器、角动量发生器、热电子发射、传感器
11、、吸收器等方面已被广泛应用。石墨烯可以作为表面等离子激元的传输载体，常常被用来代替传统金属材料如：金、银、铜等。涂覆石墨烯的表面等离子（GSP）波导比基于金属的波导有更多的优越性，包括：频带可调范围宽（红外到太赫兹波段），超强的模式约束力，欧姆损耗低，利用这些特性，大量基于石墨烯的表面等离子波导结构被相继提出。本文中，首先对石墨烯的一些独特的光学特性及GSP光波导的研究现状进行详细论述。在此基础上，设计了两种不同结构的涂覆石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导，通过改变纳米线的不同参数，采用分离变量法和有限元法，借助Mathieu函数详细地研究了两种椭圆纳米线波导的模式特性。具体工作如下：（1）设计
12、了一种涂覆单层石墨烯的椭圆形电介质纳米线光波导。研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对前5个模式的有效折射率实部、传播长度与品质因数等模式特性的影响。比较了在不同工作波长与石墨烯的费米能下，圆形电介质纳米线和椭圆形电介质纳米线的有效折射率实部和传播长度，验证了椭圆形电介质纳米线波导的优势所在。（2）设计了一种涂覆双层石墨烯的共焦椭圆形电介质纳米线光波导，研究了工作波长、结构参数以及石墨烯的费米能对前5个模式的有效折射率实部、传播长度与品质因数的影响。该波导支持的等离子模式特性可通过工作波长、半长轴间距、石墨烯的费米能以及结构参数来调节。与涂覆单层石墨烯的椭圆形电介质纳米线相比，这种新型的
13、波导结构的模式约束力强，传输损耗低，传播长度长，工作波长与石墨烯的费米能级可调范围广。本文工作可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的光波导的设计、制作和应用提供理论基础，在保偏传输、短距离传输、存储器、等离子共振、探测器和微带天线等领域有着潜在的应用前景。关键词：石墨烯；椭圆；纳米线；波导；分离变量法 IABSTRACTGraphene, a newly 2D material, consists of monolayer carbon atoms arranged in honeycomb lattice tightly, which has many unique optical prope
14、rties compared with traditional optical materials, including adjustable surface conductivity, stronger mode confinement and electromagnetic(EM) wave coupling ability in the mid infrared band. It is widely used in photonics and electronics devices. At present, there are many works on waveguide, micro
15、strip antenna, modulator, angular momentum Generator，hot-electron emission, sensor， absorber, and so on. Graphene can be used as the transport carrier of surface plasmon, and is often used to replace traditional metal materials, such as gold, silver, copper, etc. Graphene-coated surface plasmon (GSP) waveguides have additional advantages over traditional metal waveguides, for instance, wide adjustable frequency band (infrared to terahertz band), stronger mode confinemen
