納米尺度的光-物質相互作用對未來的光子集成電路和器件具有特殊的意義，應用范圍從通信到傳感和成像。我們提出了一種等離子體激元調制器，通過動態控制載流子密度在納米尺度上的空間分布來增強光-物質相互作用，并通過一個混合石墨烯-介電-光柵結構來證明。數值計算結果表明，利用外加電壓和光柵周期可以有效地調制表面等離子體激元(SPPs)。理論上，該調制器也可以在超寬帶上工作，因為散射效應與波長無關。與通過改變整個載流子密度的調制器相比，在工作波長為12.4 μm時，通過控制載流子在納米尺度上的密度空間分布的調制深度提高了約18.6 dB。該等離子體激元調制器在納米尺度上觸發了增強光-物質相互作用的方法，顯著提高了調制深度，在光開關、傳感器和光檢測等領域具有潛在的應用價值。
圖1. 調制器的三維原理圖。石墨烯中載流子密度的空間分布由光柵與石墨烯之間的電壓控制，因此可以有效地對傳播的SPPs進行調制。
圖2. 模擬示意圖，用石墨烯中的周期分布費米能級模擬載流子密度(
ng)空間分布，用光學傳輸來說明被檢測信號的情況。
圖3. 工作波長為8 μm時，(a) ON (b) OFF狀態下的電場分布分量。
圖4. 光傳輸與外加電壓之間的關系。
圖5. 周期為(a) 115 nm (b) 128 nm的電場分布分量，(c) y方向的電場強度分布(d)不同周期時的光傳輸。
圖6. (a)控制全載流子密度的調制器示意圖，費米能級為(b)0.9 eV、(c) 0.3 eV 、(d)0.9 eV和0.3 eV時的電場分布分量，(e)不同方法的光傳輸隨波長的變化。
相關研究成果由東南大學先進光子學中心Changgui Lu等人于2022年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
