High-speed double layer graphene electro-absorption modulator on SOI waveguide
我们报道了一种基于无源SOI平台的C波段双层石墨烯电吸收调制器，其29 GHz 3dB带宽和NRZ眼图消光比范围为1.7 dB（10 Gb/s）至1.3 dB（50 Gb/s）。由于CVD预图案化单晶生长和晶片上转移方法的质量，实现了这种高调制速度，该方法允许高质量可缩放石墨烯和低接触电阻的集成。通过展示这种集成在Si光子学上的高速CVD石墨烯EAM调制器和可扩展的方法，我们相信石墨烯可以满足成为光子学竞争技术的主要要求。
2020-02-28 physics.app-ph physics.optics
Graphene thermal infrared emitters integrated into silicon photonic waveguides
本文提出将石墨烯热红外发射器集成到硅光子波导中，通过近场耦合直接激发波导基模，实现了高达68%的耦合效率，为中红外光子集成电路提供了低成本、易集成的宽带光源方案。
2023-08-08 physics.app-ph physics.optics
Harmonic oscillations and their switching in elliptical optical waveguide arrays
本文研究了椭圆光波导阵列中的谐波振荡，其中相邻波导之间的耦合按照Kac矩阵变化，使得传播常数本征值可以取等间隔值。结果，当传播常数中施加线性梯度时，获得长寿命布洛赫振荡（BO）和偶极振荡（DO）。此外，我们通过斜升梯度轮廓实现了从DO到BO的切换，反之亦然。通过场演化分析研究了各种光学振荡及其开关，并通过哈密顿光学证实了这一点。传播常数中的等间隔特征值允许在传输图像、光信号的切换和路由中的可行应用。
2011-02-02 physics.optics
High-speed graphene-silicon-graphene waveguide PDs with high photo-to-dark-current ratio and large linear dynamic range
二维材料（2DM）满足了许多应用对硅上的宽带和低成本光电探测的需求。目前，实现优良的硅-2DM PD仍然非常具有挑战性。在这里，我们展示了石墨烯-硅-石墨烯波导PD在1.55 μm和2 μm波段的工作，显示了大规模集成的潜力。在1.55 μm和1.96μm波长下，所制备的器件的响应率分别为~ 0.15mA/W和~ 0.015mA/W。特别是，PD显示出约33 GHz的高带宽，数十皮安的超低暗电流，1.63x10^6 W^-1的高归一化光暗电流比（NPDR），以及在1.55 μm处3 μW-1.86 mW（及以上）的高线性动态范围。根据1.55/2.0 μm波段的测量结果和对硅-石墨烯异质结的理论模拟，揭示了石墨烯-硅肖特基结的光响应主要是由内部光致发射和光助电子场致发射引起的，这有助于进一步提高石墨烯-硅肖特基结的性能。
2022-05-14 physics.app-ph physics.optics
Polarization-Selective Control of Nonlinear Optomechanical Interactions in Subwavelength Elliptical Waveguides
具有大动态范围的全光可重构偏振依赖性的光子器件对于主动偏振控制将是非常有吸引力的。在这里，我们报告，强偏振选择性的非线性光机相互作用出现在亚波长波导。通过使用全矢量有限元分析，我们发现，在一定的核心椭圆率（纵横比）的前向模拟光散射介导的一个特定的声学模式被消除一个偏振模式，而另一个偏振模式是相当增强。这一有趣的现象可以用电致伸缩力和辐射压力之间的相互作用来解释，并且可以通过选择波导材料来调整。
2018-10-02 physics.optics
Fabrication and study of femtosecond laser micromachined few-mode elliptical core waveguides
Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning（斯里·萨蒂亚·赛高等学习学院）
本文通过参数优化研究了飞秒激光微加工的椭圆芯波导，发现其传播特性与传统圆形芯波导不同，实现了低损耗的透明波导。
2026-03-24 physics.optics
Airy plasmons in graphene based waveguides
在本文中，我们提出了准横磁（TM）和准横电（TE）艾里等离子体可以支持在石墨烯基波导。在傍轴近似下，解析计算了Airy等离子体激元的解，并研究了Airy等离子体激元的存在性。由于石墨烯的化学势的可调谐性，准TM Airy等离子体激元的自加速行为可以被有效地控制，特别是在基于石墨烯的多层波导中。除了金属，石墨烯提供了一个额外的平台来研究艾里等离子体的传播和设计各种等离子体器件。
2016-04-20 physics.optics
Silicon graphene waveguide tunable broadband microwave photonics phase shifter
提出了一种基于集成环形腔的可调谐宽带微波光子移相器。数值计算结果表明，在40 GHz的带宽和全360度的射频相移与0.12伏的适度的电压漂移的宽带操作的可行性。
2013-12-26 physics.optics
Optical absorption in graphene integrated on silicon waveguides
为了充分利用石墨烯卓越的光学特性用于光电应用，需要将其集成到平面光子系统中。在这里，我们展示了集成的石墨烯硅光子电路和精确测量的光吸收系数的石墨烯/波导混合结构。采用马赫-曾德尔干涉法测量了波导的吸收系数，当石墨烯直接位于波导顶部时，吸收系数的最大值为0.2dB/μm。结果与利用石墨烯普遍的交流导电性的理论模型一致。本文的工作为集成石墨烯光电子器件的设计和优化提供了重要的指导。
2012-05-17 physics.optics
Polarization Dependent Loss and All-Optical Modulation in Graphene on Suspended Membrane Waveguides
由于石墨烯的存在，我们观察到了平面光在硅波导中传播时的强偏振相关的光损耗。使用变迹聚焦亚波长光栅将横电（TE）和横磁（TM）模式有效地（~ 3dB）耦合到悬浮膜波导上的石墨烯。对于150 μm长的波导，在1.5 μm处TE模比TM模的额外光损耗小7.7dB，与理论模型吻合较好。证明了光的全光调制。由于石墨烯中的光吸收，波导有效折射率也存在大的热致变化。
2012-11-26 physics.optics
Graphene nano-ribbon waveguides
石墨烯作为一种单原子厚度的红外超材料平台，在光学科学与工程中发挥着重要的作用。在这里，我们研究了一些基于石墨烯纳米带的等离子体波导的独特性质。研究发现，有限宽度的石墨烯带导致耦合边缘模的出现。在30 THz的固定频率下识别单个独立石墨烯带的单模区域。提出了一种由石墨烯层、二氧化硅缓冲层和硅衬底组成的低损耗波导结构，以降低传播损耗并获得高品质因数，用于未来的波导器件集成。此外，两个耦合带配置，即侧-侧耦合和顶-底耦合，进行了研究。作为器件实例，设计了一个超小尺寸的纳米环形腔。
2013-05-28 physics.optics
Hybrid Graphene-Gyroelectric Structures: A Novel Platform for THz Applications
本文研究了石墨烯基结构与旋电层相结合的可调谐磁等离子体激元。在一般的波导中，每个石墨烯片被夹在两个不同的旋电层之间。整个结构已经暴露在磁偏置的存在下。提出了一种基于所有传播模式的精确分析模型，并导出了复杂的关系式。作为多层波导的一种特殊情况，本文研究了石墨烯-旋电混合结构。已经示出了示例性波导的传播特征可以通过改变外部磁偏置和石墨烯的化学势来调谐，这使其成为用于设计THz区域中的非互易等离子体激元器件的新的可调谐平台。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Effective electro-optic modulation in low-loss graphene-plasmonic slot waveguides
表面等离子体激元使光集中在亚波长区域内，从而打开了新的途径，使设备和加强光与物质的相互作用。在这里，我们实现了有效的电光调制的低损耗等离子体波导与石墨烯的帮助下，和设备完全集成在绝缘体上硅平台。通过有利地利用低损耗等离子体激元槽波导模式，其微弱地泄漏到衬底中，同时在金属中的两层石墨烯覆盖的槽内具有强场，我们成功地实现了我们制造的具有极低插入损耗的石墨烯-等离子体激元波导器件的0.13 dB/um的可调谐性，这优于先前报道的石墨烯-等离子体激元器件。我们的研究结果突出了石墨烯等离子体激元漏模混合波导实现用于光电应用的有源超紧凑器件的潜力。
2017-09-12 physics.optics
Cascaded third harmonic generation in hybrid graphene-semiconductor waveguides
研究了石墨烯层和掺杂半导体平板构成的集成平面波导中混合表面等离子体激元的级联谐波产生。我们推导出一个综合模型的级联三次谐波产生通过相位匹配的非线性相互作用的基本，二次谐波和三次谐波等离子体激元模式支持的结构。我们表明，混合石墨烯半导体波导可以同时相位匹配这三个相互作用的谐波，增加了总的三次谐波输出的一个因素相比，非级联制度。
2015-07-06 physics.optics
Graphene Based Waveguide Polarizers: In-Depth Physical Analysis and Relevant Parameters
最近文献中已经展示了利用嵌入波导中的石墨烯的光学偏振器件，并且报道了TE和TM通过行为。通过极化的确定通常归因于石墨烯的费米能级（并且因此，掺杂水平），然而，没有提供对该假设的直接确认。在这里，我们通过数值模拟表明，而不是石墨烯的费米能级，通过偏振是由波导参数，如覆层折射率和波导的高度。该结果为文献中报道的实验结果提供了一致的解释。此外，我们表明，与一个准确的石墨烯建模，波导不能通过费米能级调谐TE通和TM通之间切换。因此，通常被忽视的波导设计的贡献被证明是必不可少的优化TE或TM通偏振器的发展，这是由于它提供的控制上的电场是切向石墨烯的分数。
2015-10-07 physics.optics
Silicon Nitride C-Band Grating Coupler with Reduced Waveguide Back-Reflection Using Adaptively Corrected Elliptical Grates
本研究针对氮化硅C波段光栅耦合器的背反射问题，采用中断光栅结合变偏心率椭圆光栅校正的方法，实现约10dB背反射抑制，同时将额外插入损耗从2.4dB降至1dB。
2024-06-20 physics.app-ph physics.optics
Two-photon quantum walks in an elliptical direct-write waveguide array
集成光学为通过连续时间量子行走仿真量子系统提供了理想的测试平台。本文研究了椭圆波导阵列中双光子态的演化。我们通过相干光层析成像的光子芯片，并使用结果来预测时间上不可区分和可区分的双光子输入，然后我们与实验观察比较之间的明显差异。我们的工作突出了在三维波导结构中模拟相干量子现象的可行性。
2011-03-08 physics.optics quant-ph
Evaluation of graphene optical nonlinearity with photon-pair generation in graphene-on-silicon waveguides
我们通过对自发四波混频产生的光子对的符合测量来评估硅基石墨烯波导的非线性系数。我们观察到的时间相关的光子对从波导在各种转移布局的石墨烯片。使用耦合波方程对实验结果进行简单分析表明，原子级薄的石墨烯片将硅波导的非线性增强了10倍。结果表明，纯$χ^{(3)}$基石墨烯的有效非线性折射率为$10^{-13}$ m $^2$ /W量级，为石墨烯基非线性光学在片上纳米光子学中的应用提供了重要的启示.
2020-03-20 physics.optics quant-ph
High-performance silicon-graphene hybrid plasmonic waveguide photodetectors beyond 1.55 μm
提出并实现了一种1.55 μm以上的快速硅-石墨烯混合等离子体波导光电探测器。通过这种新颖的设计，石墨烯中的光吸收增强，同时金属吸收损耗降低，这有助于大大提高响应度以及缩短吸收区域以实现快速响应。此外，金属-石墨烯-金属夹层电极的引入，以减少金属-石墨烯的接触电阻，这也有助于提高响应速度。当探测器工作在2 μm时，测量的3dB带宽大于20 GHz（这受到实验装置的限制），而根据测量的S11提取的参数由等效电路计算的3dB带宽高达~100 GHz。据我们所知，这是第一次报道的波导光电探测器在2 μm，3dB带宽超过20 GHz。此外，目前的光电探测器在1.55 μm处也工作得很好。对于0.16 mW的光功率，在-0.3V的偏置电压下，测得的响应度约为0.4A/W，而测得的3dB带宽超过40 GHz（受测试设置限制），并且从等效电路估计的3dB带宽也高达~100 GHz，这是1.55 μm硅石墨烯光电探测器报告的最佳结果之一。
2019-07-18 physics.app-ph physics.optics
Electrically Tunable Optical Nonlinearities in Graphene-Covered SiN Waveguides Characterized by Four-Wave Mixing
我们提出了一个退化的四波混频实验氮化硅（SiN）波导覆盖栅石墨烯。我们观察到强烈的依赖性信号泵浦失谐和费米能量，即光学非线性被证明是电可调的。在带间吸收边（$2|E_F|\approx \hbarω$）附近，测量对应于石墨烯非线性薄层电导率$|σ_s^{(3)}|\approx4.3\cdot 10^{-19}$ A m $^2$ V $^{-3}$的波导非线性参数$\approx$ 6400 m $^{-1}$ W $^{-1}$的峰值。
2017-06-01 physics.optics
Integrated nanophotonic polarizers in silicon waveguides and ring resonators using graphene oxide 2D films
本文将二维氧化石墨烯薄膜集成到硅波导和微环谐振器上，利用其各向异性光吸收实现集成偏振器，实验获得约17 dB偏振相关损耗和约10 dB偏振消光比，并验证了超过100 nm的宽带工作能力。
2024-07-21 physics.app-ph physics.optics
Integrated microring resonator and waveguide polarizers based on partially photo-reduced 2D graphene oxide thin films
该研究提出结合还原氧化石墨烯（rGO）薄膜的集成波导和微环谐振器偏振器，通过热还原与光热还原方法提升性能，实现了约47 dB偏振相关损耗与约16 dB偏振消光比，展现了rGO在集成光子平台上的应用潜力。
2025-03-04 physics.app-ph physics.optics
Second-harmonic generation in subwavelength graphene waveguides
我们提出了一种在亚波长石墨烯波导中产生二次谐波辐射的新方法。我们表明，二次相位匹配之间的等离子体激元导模的不同对称性，可以实现在一个平面的双层几何结构时，其中一个层的电导率成为空间调制。我们从理论上预测，由于石墨烯的非局域导电性，二阶非线性过程可以实现与一个有效的光栅耦合器，以允许外部泵浦的结构和输出的辐射在倍频的相互作用等离子体模式。
2014-08-04 physics.optics
TE-Polarized Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in Nonlinear Multi-layer Graphene-Based Waveguides: An Analytical Model
本文提出了一个分析模型，用于研究非线性多层石墨烯基波导中的横电（TE）表面等离子体激元（SPP）。每个石墨烯片位于两个不同的克尔型层之间。作为一般的特殊情况下，建议的结构，两个新的非线性石墨烯基波导的介绍和研究。结果表明，这些典型结构的传输特性是可调的化学势和非线性系数。在61 THz的频率下，对于0.15 ev的化学势和0.8的第二结构的非线性比，获得了大的有效折射率值，即neff=82。本研究提出了一种新的平台，在石墨烯等离子体，可用于创新的太赫兹器件的设计。
2021-07-04 physics.optics
Waveguide engineering of graphene's nonlinearity
石墨烯最近被证明具有巨大的非线性，然而，这种非线性的效用是有限的，由于高损耗和小的相互作用体积。我们发现，通过对石墨烯的非线性进行波导工程，我们能够显着增加非线性参数，并将开关光功率降低到亚瓦级。我们的设计利用了混合等离子体激元波导，并通过调节其费米能级来仔细操纵石墨烯的折射率。通过费米能级定制石墨烯基波导中的非线性参数的能力提供了待实现的非线性光学器件的范例。
2014-11-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Bends and splitters in graphene nanoribbon waveguides
我们研究了石墨烯纳米波导中的弯曲和分束器的性能。虽然石墨烯波导本身是有损耗的，我们表明，弯曲和分裂器不会引起任何额外的损失，只要纳米宽度是亚波长。我们使用传输线理论来定性地解释在我们的模拟中观察到的行为。我们的研究结果为实现在太赫兹区域工作的超紧凑器件铺平了一条有前途的道路。
2012-12-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Ultra-compact and broadband tunable mid-infrared multimode interference splitter based on graphene plasmonic waveguide
提出并设计了一种基于石墨烯等离子体波导的超小型宽带可调谐中红外多模干涉分束器。该器件的尺寸仅为0.56μm*1.2μm，对应的器件面积仅约为0.014λ^2，其中λ为真空波长。当石墨烯的费米能级在0.5 ~ 1 eV范围内变化时，器件的中心波长可在7 ~ 9μm的宽波段内调谐。此外，该器件易于在芯片上制作。
2015-07-19 physics.optics
Integrated polarizers based on graphene oxide in waveguides and ring resonators
实验证明了集成波导偏振器和偏振选择性微环谐振器（MRR）与氧化石墨烯（GO）薄膜。基于大面积、无转移、逐层GO涂覆方法制造具有均匀涂覆和图案化GO膜的CMOS兼容掺杂二氧化硅波导和MRR，该方法产生膜厚度的精确控制。使用光刻和剥离工艺来实现GO膜的光刻图案化，并精确控制放置和涂层长度。进行详细的测量以表征器件的性能相对于GO膜厚度和涂层长度作为偏振、波长和功率的函数。对于涂覆有2 mm长的图案化GO膜的波导，实现了~ 53.8dB的高偏振相关损耗。结果发现，本征膜材料损耗各向异性占主导地位的性能小于20层，而偏振相关模式重叠占主导地位的较厚的层。对于MRR，GO涂层长度减小到50微米，在TE和TM谐振之间产生约8.3-dB的偏振消光比。这些结果提供了有趣的物理见解和趋势的层状GO膜，并证明了引入GO膜的光子集成器件，以实现高性能的偏振选择性组件的有效性。
2019-07-16 physics.app-ph physics.optics
Photo-thermal tuning of graphene oxide coated integrated optical waveguides
实验研究了集成光波导上二维氧化石墨烯薄膜的功率敏感光热调谐特性。我们测量了集成有1层和2层GO的氮化硅（SiN）波导中可逆和永久GO还原的光功率阈值。拉曼光谱在不同位置的混合波导与永久减少GO的特点，验证了不均匀的GO减少沿光传播方向通过波导。比较了连续激光和脉冲激光诱导的PTT的差异，证实了PTT主要取决于平均输入功率。这些结果揭示了有趣的功能，2D GO膜涂覆在集成光波导，这是至关重要的混合集成光子器件中的GO性能的控制和工程。
2022-11-05 physics.optics
High-speed waveguide-coupled graphene-on-graphene optical modulators
提出了一种基于双石墨烯层的电吸收光调制器概念。该器件由绝缘体上硅波导组成，两个石墨烯层位于其上，由薄绝缘区域隔开。下层石墨烯充当可调谐吸收体，而上层充当透明栅电极。基于实际石墨烯材料特性的计算表明，在近红外波段（λ=1.55 μm）和中红外波段（λ=3.5μ m），超过100 GHz（30 GHz）的3 dB带宽是可能的。还量化了背景掺杂和电势波动对带宽、调制深度和插入损耗的影响。
2012-02-21 cond-mat.mes-hall physics.optics
Multilayer graphene waveguides
研究了多层石墨烯超材料引导TM偏振电磁波的色散特性。我们表明，色散和本地化的导模可以有效地控制通过改变结构中的层数。值得注意的是，我们发现，在长波长极限下，N层石墨烯结构的基模的色散与由单个石墨烯层支持的等离子体激元模式的色散一致，但具有N倍大的电导率。我们还比较了我们的精确色散关系提供的有效介质模型的结果。
2014-02-26 physics.optics
Perturbation theory for graphene integrated waveguides: cubic nonlinearity and third harmonic generation
我们提出了微扰理论分析的一般三阶非线性过程中的石墨烯集成光子结构。将石墨烯的光学响应作为麦克斯韦方程组的非线性边界条件。推导出的模型应用于分析三次谐波产生的石墨烯涂层介质微纤维。当在亚毫米长光纤中使用具有$0.1$ nJ量级的能量的亚皮秒泵浦脉冲时，当在石墨烯非线性电导率$\hbarω=(2/3)E_F$的共振附近操作时，预测高达百分之几的效率。
2016-05-20 physics.optics
Spatial Integration by a Dielectric Slab Waveguide and its Planar Graphene-based Counterpart
受模拟计算[Science 343，160（2014）]的最新进展的启发，提出了一种使用介电平板波导执行空间积分的新方法。我们的方法确实是基于这样的事实，即一个简单的介质平板波导在其模式激励角的传输系数匹配的格林函数的一阶积分。受上述基于电介质的积分器的启发，我们进一步展示了其基于石墨烯的对应物。后者不仅是可重构的，而且与先前报道的设计相比高度小型化[Opt. Commun. 338，457（2015）]。这样的积分器有可能被用于超快模拟计算和信号处理。
2017-03-08 physics.optics
Waveguide-Integrated Mid-Infrared Photodetection using Graphene on a Scalable Chalcogenide Glass Platform
紧凑型和可现场应用的中红外（mid-IR）光谱设备的发展代表了从气体泄漏检测到环境监测的分布式传感的关键挑战。最近的工作集中在中红外光子集成电路（PIC）传感平台和波导集成的中红外光源和探测器的基础上的半导体，如碲化铅，黑磷和碲。然而，材料带隙和对SiO $_2$衬底的依赖性将操作限制在波长$λ\lesssim4\,μ\textrm{m}$。在这里，我们克服了这些挑战与硫族玻璃上的CaF $_2$ PIC架构，结合分裂栅光电热电石墨烯光电探测器。我们的设计扩展到$λ=5.2\,μ\textrm{m}$的约翰逊噪声限制噪声等效功率为$1.1\,\mathrm{nW}/\mathrm{Hz}^{1/2}$，光响应没有下降到$f = 1\,\mathrm{MHz}$，预测的3 dB带宽为$f_{3\textrm{dB}}>1\,\mathrm{GHz}$。该中红外PIC平台易于扩展到更长的波长，并为从分布式气体传感和便携式双梳光谱到耐候自由空间光通信的应用打开了大门。
2021-12-29 physics.app-ph physics.optics
Slow-light-enhanced energy efficiency for the graphene microheater on silicon photonic crystal waveguides
由于慢光具有促进光与物质相互作用的能力，因此慢光被广泛用于获得增强的非线性、增强的自发发射和增加的相移。通过在慢光硅光子晶体波导上结合石墨烯微加热器，我们实验证明了具有1.07 nm/mW的调谐效率和3.99 mW的每自由光谱范围的功耗的节能石墨烯微加热器。上升和衰减时间（10%至90%）仅为750 ns和525 ns，据我们所知，这是硅光子学中微加热器的最快响应时间。该器件相应的创纪录低品质因数为2.543 nW.s，比先前研究报告的结果低一个数量级。研究了石墨烯-光子晶体波导相互作用长度和石墨烯加热器形状对调谐效率的影响，为提高石墨烯微加热器的调谐效率提供了有价值的指导。
2016-07-26 physics.optics
Grounded Graphene-Based Nano-Waveguide with Chiral Cover and Substrate: New Theoretical Investigation
在本文中，我们提出了一个新的分析模型，接地手征平板波导覆盖石墨烯片。一般波导由夹在两个不同手性层（作为基底层和覆盖层）之间的石墨烯片构成。衬底被认为是完美的电磁导体（PEMC），其能够容易地转换为完美的电导体（PEC）或完美的磁导体（PMC）。对于一般结构，得到了一种新的矩阵表示，以确定其色散关系和其他传播参数。为了显示所提出的波导的丰富性，引入并研究了两种新的结构。已经表明，这些示例性结构的模态性质是可调的，通过改变石墨烯的化学势和手性。所提出的一般结构和它的分析模型可以用于设计可调谐等离子体激元器件在太赫兹频率。
2021-02-24 physics.optics
Dispersion properties of plasmonic sub-wavelength elliptical wires wrapped with graphene
了解由石墨烯片包裹的椭圆形颗粒支撑的局域表面等离子体（LSP）的色散或频率依赖特性以及当这些椭圆LSP被激发时它们的散射特性的一个基本动机与能够在亚波长尺度下操纵光的等离子体结构的设计有关。由椭圆偏心率施加的各向异性可以用作用于控制等离子体共振的几何工具。与金属的情况不同，在金属的情况下，多极本征模是相互独立的，我们发现，在石墨烯边界上的感应电流耦合多极本征模具有相同的宇称。在长波长极限下，推导出了椭圆偏心率参数与LSP的递推关系式，并给出了最低阶的显式解。在这种近似下，我们得到了各向异性极化率张量元和散射功率的解析表达式时，LSP激发平面波入射。
2021-10-06 physics.optics
Surface plasmon enhancement of spontaneous emission in graphene waveguides
本工作分析了放置在石墨烯波导附近的单个发射极的自发发射，所述石墨烯波导由两个平行的石墨烯单层形成，具有绝缘体间隔层。在这种情况下，由结构支持的本征模，例如表面等离子体激元和波导模，为靠近波导放置的电偶极子提供衰减通道。我们计算了对称和反对称本征模的衰减率作为频率和发射器的方向的函数的贡献。结果表明，由于导模激发引起的自发发射的变化远小于对称和反对称表面等离子体激发引起的相应衰减，从而显著增强了自发发射.作为石墨烯波导中表面等离子体激元的高限制的结果，我们发现，在表面等离子体激元模式存在的整个频率范围内，具有垂直取向（相对于石墨烯片）的发射器的衰减速率是具有平行取向的相同发射器的相应衰减的两倍。从金属-介电结构（其中结构参数决定这种发射的范围和幅度）来看，我们的工作表明，通过动态地调整石墨烯的化学势，可以在很宽的范围内选择衰减速率增强的光谱区域。
2016-09-13 physics.optics
Graphene oxide for enhanced nonlinear optics in low and high index contrast waveguides and nanowires
我们证明了增强的四波混频（FWM）在掺杂氧化石墨烯（GO）层集成的二氧化硅波导。由于集成波导和具有高克尔非线性和低损耗的GO膜之间的强模式重叠，混合集成波导的四波混频效率显著提高。我们对不同的泵浦功率、波长失谐、GO涂层长度和GO层数进行了四波混频测量。我们的实验结果表明，与理论吻合良好，实现了高达9.5 dB的提高，在四波混频转换效率为1.5厘米长的波导集成2层的GO。我们从理论上表明，对于不同的波导几何形状的四波混频效率的提高~ 20 dB，可以得到在掺杂的二氧化硅波导，和超过30 dB的硅纳米线和槽波导。这证明了将GO膜引入到集成光子器件中以增强非线性光学过程的性能的有效性。
2018-11-07 physics.optics
Spatial modulation of the electromagnetic energy transfer by excitation of graphene waveguide surface plasmons
我们从理论上研究了石墨烯波导附近施主和受主分子之间的电磁能量转移。由该结构支撑的表面等离子体激元（SP）提供衰变通道，当施主和受主位于波导的同一侧或甚至相对侧时，该衰变通道导致能量转移速率的改善。通过将积分路径变形为复平面中的合适路径来计算与不存在波导时的能量传递率值相比的能量传递率的修改。我们的研究结果表明，这种修改显着增强时，激发的对称和反对称SP。由于这些SP通道之间的相干干扰的能量转移的空间依赖性的显着影响，这可以通过调整化学势的变化，突出和讨论的SP传播特性。
2019-02-19 physics.optics
Nanoscale Graphene Electro-Optic Modulators
对石墨烯的研究揭示了其独特的光学性质，包括与光的强耦合，高速操作和门可变光学电导率，这些都有望满足未来电光（EO）调制器的需求。特别是，最近的工作展示了一种基于石墨烯带间吸收的宽带电光调制器，其总长度仅为40μm。然而，与片上电子元件的尺寸相比，它仍然是笨重的。片上光学互连需要纳米尺度的EO调制。实现纳米石墨烯电光调制的关键是基于新型波导和平台大大增强光与石墨烯的相互作用。在此，我们提出了我们最近的探索石墨烯电光调制器的基础上，石墨烯夹在介电或等离子体波导。在适当的栅电压下，石墨烯的介电常数可以通过带内电子跃迁的作用被调节到很小，从而形成“石墨烯-缝隙波导”，极大地增强了吸收模式。基于小信号分析，在800 nm长的硅波导或120 nm长的等离子体波导内可以实现高达3dB的调制深度。它们具有纳米尺寸、小插入损耗、低功耗和潜在的高速性能等优点，并且与CMOS兼容。
2011-12-30 physics.optics
Valley-Hall topological plasmons in a graphene nanohole plasmonic crystal waveguide
我们证明了太赫兹光波的单向和反向散射免疫传播可以实现在拓扑谷霍尔波导由石墨烯纳米孔等离子体晶体。为了获得更深入的物理见解，这些现象，石墨烯纳米孔等离子体晶体的能带图进行了研究和优化。我们发现具有属于$C_{6v}$对称群的纳米孔阵列的石墨烯等离子体晶体具有无间隙狄拉克锥，其可以通过引入额外的纳米孔而被缺口化，使得系统的对称点群从$C_{6v}$减少到$C_{3v}$。利用这一特点，我们设计了一个镜像对称的畴壁界面，通过放置在一起的两个优化的石墨烯等离子体晶体，以便在开放的带隙内构建谷极化拓扑界面模式。计算分析表明，谷-霍尔拓扑畴壁界面模可以在极深的亚波长尺度上实现，并且不依赖于外加静磁场.该工作为开发高集成度、高鲁棒性的深亚波长太赫兹等离子体波导奠定了基础。
2020-04-05 physics.optics
Mid-infrared Active Graphene Nanoribbon Plasmonic Waveguide Devices
掺杂石墨烯由于其多功能的外部控制功能以及其高度压缩的石墨烯表面等离子体（GSP）波长而成为中红外波长的活性等离子体材料的强有力竞争者。在本文中，我们设计了基于电压门控非均匀介质层上掺杂石墨烯纳米带（GNRs）的电调制的有源等离子体波导器件。我们首先开发了品质因数（FoM）公式来表征无源和有源石墨烯纳米波导的性能。基于FoM，我们选择最佳GNR来构建等离子体快门，其由放置在由Si纳米柱支撑的非均匀SiO $_2$衬底上的GNR组成。模拟研究表明，对于一个简单的50 nm长的等离子体快门，调制对比度可以超过30 dB。等离子体快门被进一步扩展以构建4端口有源功率分配器和8端口有源网络，两者都基于GNR交叉结波导。对于有源功率分配器，每个波导臂处的GSP功率传输可以由所施加的栅极电压独立地控制，具有高调制对比度和几乎相等的功率分配比例。从8端口有源网络的构造中，我们看到可以将GNR交叉结波导放大为大型复杂的有源波导网络，在中红外石墨烯等离子体集成纳米电路的令人兴奋的新领域中显示出巨大的潜力。
2013-12-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Theoretical design study of FWM in silicon nitride waveguides with integrated graphene oxide films
我们从理论上研究和优化了氮化硅（SiN）波导与二维（2D）层状氧化石墨烯（GO）薄膜集成的四波混频（FWM）。基于广泛的先前测量的GO膜的材料参数，我们进行详细的分析，包括波导的几何形状，GO膜的厚度，长度和涂层的位置上的四波混频转换效率（CE）和转换带宽（CB）的设备参数的影响。讨论了GO薄膜的色散和光热变化对薄膜性能的影响。由于SiN波导和高非线性GO膜之间的强模式重叠，混合波导中的四波混频可以显著增强。我们与之前的实验结果取得了良好的一致性，并表明通过优化器件参数来平衡克尔非线性和损耗之间的权衡，FWM CE可以提高高达~20.7 dB，FWM CB可以提高~4.4倍，相对于未涂覆的波导。这些结果突出了通过集成2D分层GO膜可以在SiN波导中实现的显著增强的FWM性能。
2021-02-14 physics.optics
Graphene oxide 2D films integrated with nanowires and ring resonators for enhanced nonlinear optics
我们报告增强非线性光学纳米线，波导，和环形谐振器通过引入分层的二维（2D）氧化石墨烯（GO）薄膜通过实验演示。将GO膜集成在绝缘体上硅纳米线（SOI）、高折射率掺杂二氧化硅玻璃、氮化硅（SiN）波导和微谐振器（MRR）上，以展示改进的光学非线性，包括克尔非线性和四波混频（FWM）。通过使用大面积的，无转移的，逐层的GO涂覆方法与光刻和剥离工艺，我们集成这些互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的设备上的GO膜。对于SOI纳米线，观察到由自相位调制（SPM）引起的GO涂覆的SOI纳米线中的光脉冲的显著光谱增宽，对于具有包括10层GO的图案化膜的器件实现了4.34的高光谱增宽因子。还实现了硅纳米线的非线性品质因数（FOM）的20倍的显著增强，导致FOM > 5。对于Hydex和SiN波导，在GO涂覆的波导中实现了增强的FWM，其中相对于未涂覆的波导，转换效率（CE）增强高达6.9 dB和9.1 dB。对于MRR，由于谐振增强效应，实现了FWM CE中高达~10.3 dB的增加。这些结果揭示了GO膜改善纳米线、波导和环形谐振器的非线性光学的强大潜力。
2022-04-07 physics.app-ph physics.optics
A new coupling mechanism between two graphene electron waveguides for ultrafast switching
我们提出了一种基于双石墨烯电子波导的新型超快电子开关器件，类似于光学双通道波导器件。该设计利用了两个石墨烯电子波导之间拉比振荡的相干量子力学隧穿原理。基于修正的耦合模理论，我们建立了一个理论模型来分析器件的特性，并预测开关速度大于1ps。由于室温下石墨烯中电子的平均自由程较长，所提出的设计避免了常规半导体量子阱结构中所需的低温操作的限制。我们的设计布局类似于一个标准的CMOS晶体管，应该很容易制造与当前最先进的纳米技术。
2019-03-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Vertical coupling of laser glass microspheres to buried silicon nitride ellipses and waveguides
我们展示了掺钕硅酸钡钛微球激光器与氮化硅光子平台的集成。具有两种不同的几何结构的设备提取的激光到掩埋波导已经制造和表征。第一种配置依赖于标准的耦合方案，其中微球体放置在条形波导上。第二种是基于埋椭圆几何结构，其工作原理是椭圆镜。在后一种情况下，条形波导的输入端放置在椭圆的一个焦点上，而激光微球放置在另一个焦点的顶部。所制造的椭圆几何形状（椭圆率=0.9）呈现比标准波导耦合配置的光收集能力大50%的光收集能力，并且可以通过增加椭圆率来进一步改进。此外，由于球体的尺寸远小于椭圆的尺寸，因此不需要表面平坦化。相反，我们表明，没有平坦化步骤强烈损害微球激光性能的标准配置。
2015-06-29 physics.optics
Chiral Multi-layer Waveguides Incorporating Graphene Sheets: An Analytical Approach
本文提出了一种新的分析模型，手性多层波导纳入石墨烯片。一般结构由各种手性层组成，其中石墨烯片被夹在两个相邻的手性层之间。我们选择并研究了这种一般结构，为光学传感等新兴科学提供了一个新的平台。提出了一个分析模型，一般的结构，找到它的色散关系和其他模式的属性，如有效折射率和传播长度。为了显示我们的一般结构的丰富性，两个新的手性波导包含石墨烯片已被引入和研究。我们的分析结果表明，高值的有效折射率，例如neff=15的频率为8太赫兹的第二种结构，是可以实现的。此外，已经表明石墨烯的化学势和手性可以调节和控制等离子体特征。我们的多层结构及其分析模型可以用于几个潜在的应用，如开关，吸收器，斗篷，偏振旋转器和定向耦合器在太赫兹频率。
2021-02-19 physics.optics
Exceptional Points and Asymmetric Mode Switching in Plasmonic Waveguides
我们研究了由一对具有不同损耗的石墨烯片组成的非厄米特系统中的例外点。石墨烯波导中存在两种表面等离子体激元（SPP）模式。通过改变两个石墨烯片之间的距离和石墨烯的化学势，EP表现为本征值，即两个模式的波矢量合并。在由石墨烯的几何参数和化学势组成的参量空间中，将EP包围起来，可以观察到本征模的交叉转换和几何相位的变化。同时，某一输入SPP模式可能导致完全不同的输出。该研究为纳米级敏感光学开关和传感器的开发铺平了道路。
2016-07-31 physics.optics
Free-carrier-induced nonlinear dynamics in hybrid graphene-based photonic waveguides
我们从第一性原理出发，建立了石墨烯覆盖的混合波导中红外脉冲传播的理论模型。我们模拟电子动力学在石墨烯的布洛赫方程，使推导的非线性电导率和速率方程占自由载流子的产生。辐射传播是通过一个广义的非线性薛定谔方程耦合的场包络与速率方程占在石墨烯中的自由载流子的产生建模。我们的数值模拟清楚地表明，未扰动克尔孤子加速由于载流子诱导的折射率变化，并经历了强烈的自诱导光谱蓝移。基于孤子微扰理论的半解析预测充分解释了我们的数值结果。
2021-12-21 nlin.PS physics.optics
Design of silicon waveguides for Kerr nonlinear optical performance with graphene oxide films
基于实验测量的氧化石墨烯（GO）薄膜的线性和非线性光学参数，对二维GO薄膜集成硅纳米线波导的克尔非线性光学性能进行了理论研究和优化。硅纳米线和高非线性GO膜之间的强模式重叠产生了显着增强的混合波导的克尔非线性。详细分析了波导几何形状和GO膜厚度对传输损耗、非线性参量和非线性品质因数的影响。结果表明，相对于裸硅纳米线，有效非线性参数和非线性FOM可分别增加52和79倍。自相位调制（SPM）引起的光谱展宽的光脉冲被用来作为一个基准来评估的非线性性能，检查之间的权衡增强克尔非线性和最小化的损失。通过优化器件参数来平衡这一点，可以实现27.8的高光谱展宽因子，是以前实验中实现的6倍多。最后，讨论了脉冲啁啾、材料各向异性、饱和吸收和SPM之间的相互作用等因素对光谱展宽的影响，并比较了GO涂层和石墨烯涂层硅波导对光谱展宽的影响。这些结果为优化二维GO薄膜集成硅波导的克尔非线性光学性能提供了有益的指导。
2021-04-12 physics.optics
Waveguide optical parametric amplifiers in silicon nitride with 2D graphene oxide films
本文首次将二维氧化石墨烯薄膜集成到氮化硅波导中，通过精确控制薄膜厚度、长度和位置，将光参量放大增益提升约12.2 dB，为高性能光子集成OPA提供了新方法。
2024-01-14 physics.app-ph physics.optics
Enhanced four-wave-mixing and 3rd order optical nonlinearity in SiN nanowires integrated with graphene oxide films
将层状2D氧化石墨烯（GO）膜与氮化硅（SiN）波导集成，以实验证明通过四波混频（FWM）增强的克尔非线性。由于SiN波导与高非线性GO膜之间存在强的光物质相互作用，混合波导的四波混频性能得到了显著改善。基于无转移、逐层GO涂覆方法以及标准光刻和剥离工艺制造具有均匀涂覆和图案化GO膜的SiN波导，从而精确控制膜厚度、放置和涂覆长度。详细的四波混频测量进行了不同数量的GO层和不同的泵浦功率的制造设备。通过优化非线性和损耗之间的权衡，我们获得了7.3 dB的四波混频转换效率的显着改善均匀涂覆的设备与1层的GO和9.1 dB的图案化的设备与5层的GO。我们还获得了显着增加的图案化设备的四波混频带宽。详细分析了方向图长度和位置对四波混频性能的影响。基于四波混频测量，还提取了三阶非线性对层数和泵浦功率的依赖关系，揭示了关于二维层状GO膜的有趣的物理见解。最后，我们得到的混合波导的有效非线性参数的增强超过100倍。这些结果验证了通过并入2D分层GO膜可实现的SiN波导的增强的非线性光学性能。
2020-06-25 physics.app-ph physics.optics
Broadband Excitation and Active Control of Terahertz Plasmons in Graphene
提出了一种新的宽带技术，以有效地发射等离子体沿着单一的石墨烯层在太赫兹（THz）频率。为此，提出了将电磁波从由周期性波纹金属表面建立的容易获得的等离子体激元波导耦合到石墨烯片。如将示出的，该技术可以显著地克服对石墨烯中的等离子体激元的有效激发的需要。为此，采用基于传输线理论的分析技术来计算等离子体激元波导的连接的散射参数。以这种方式，石墨烯波导上的输入反射和传输的结的门控效果也进行了研究。为了比较，采用全波数值模拟器。
2014-04-06 physics.optics
