Устройство для управления фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона на основе тонкой пленки полупроводника с графеновыми обкладками

Устройство относится к области оптоэлектроники и плазмоники, в частности, к разработке и созданию планарных многослойных волноведущих структур, в которых возможно реализовать управление фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны в процессе ее распространения в активной среде.
В настоящее время в связи с развитием перспективных направлений современной оптики - нанофотоники и наноплазмоники, крайне актуальной становится проблема разработки компонентной базы для создания многофункциональных оптоэлектронных приборов и устройств нового класса. К подобным устройствам относятся прежде всего усилители, генераторы, модуляторы, дефлекторы, фильтры, фокусирующие элементы и др. На практике они представляют интерес из-за возможности их использования во многих практических приложениях и их функционировании в оптическом и терагерцовом диапазонах частот. В основу работы данных устройств положен принцип распространения электромагнитных поверхностных волн (ПВ), которые могут возбуждаться на границе раздела диэлектрика с активной средой, которая в рабочем частотном диапазоне имеет отрицательную диэлектрическую проницаемость. Данные ПВ в литературе получили название поверхностных плазмон-поляритонов и представляют собой коллективные колебания электромагнитной волны в диэлектрике и волны электронного газа в проводящей среде. Однако, использование проводящих материалов с отрицательной диэлектрической проницаемостью в качестве волноведущего слоя неизбежно приводит к омическим потерям, что является причиной конечной и крайне малой длины распространения электромагнитной волны в рабочей среде.
Уменьшить потери и увеличить длину пробега ПВ позволяет включение в планарные многослойные структуры монослоев графена. В указанных структурах возможно существенное замедление электромагнитной волны - снижение ее фазовой скорости как минимум на два порядка по сравнению со скоростью света в вакууме. Управление распространением и свойствами электромагнитных волн в структурах на основе графена может осуществляться электрическим и магнитным полями [C.H. Gan, H. S. Chu, E. P. Li. Synthesis of highly confined surface plasmon modes with doped graphene sheets in the midinfrared and terahertz frequencies. Phys. Rev. B. 2012. V. 85. P. 125431]
На данный момент известна структура, представляющая собой прямоугольный волновод с металлическими стенками, диэлектрическим заполнением и слоем графена, в которой управление дисперсионными свойствами первых ТЕ-мод осуществлялось за счет изменения химического потенциала (ХП) графена [G. Shkerdin, HE Guo-Qiang, H. I. Alkorre, J. H. Stiens. Modulation of TE propagation modes in rectangular metal waveguide with integrated graphene structure in the sub-terahertz frequency range. J. of Opt. 2017. V. 19. P. 015606]. Дополнительное влияние на дисперсию волны и волноводные характеристики оказывает расстояние от монослоя графена до металлических стенок волновода.
Замедление первых волноводных мод в структуре «диэлектрический волновод - монослой графена - покровная среда» установлено также в работе [W. Xu, Z. H. Zhu, K. Liu et al. Dielectric loaded graphene plasmon waveguide. Opt. Express. 2015. V. 23. Iss. 4. P.5147]. Так, в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне 8-16 мкм возможно снизить фазовые скорости распространяющихся в структуре волн более чем в 20 раз.
Однако, указанные структуры, обладают рядом недостатков:
1. Указанные структуры функционируют только в терагерцовом и длинноволновом ИК диапазоне, в то время как рабочим диапазоном большинства плазмонных структур является коротковолновый ИК диапазон.
2. В указанных волноводных структурах используется только один монослой графена, управляемый за счет изменения его ХП. Однако в структурах, содержащих более одного слоя графена подобное управление становится более вариативным.
Устранить данные недостатки позволяет предлагаемая полезная модель.
Цель: создание компактной замедляющей волноводной структуры на основе пленки полупроводника с двумя графеновыми обкладками, что делает структуру более вариативной в управлении а замедление ПВ более эффективным.
Технический результат: для поверхностных электромагнитных волн в широком диапазоне частот обеспечить управление их фазовыми и групповыми скоростями за счет изменения ХП слоев графена внешним напряжением, выявить частотную область, в которой фазовая скорость волн может быть снижена более чем на два порядка по сравнению со скоростью света в вакууме. Технический результат достигается при использовании трехслойной волноводной структуры, центральным волноводным слоем которой является полупроводниковая пленка . Волноводный слой заключен между диэлектрическими обкладками оксида кремния , на обоих границах раздела «полупроводник-диэлектрик» нанесены проводящие монослои графена.
Предлагаемая полезная модель изображена на фиг. 1 и состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - источник излучения,
2 – поляризатор,
3 - глухое зеркало,
4 - призма ввода,
5 - полупроводниковая пленка,
6-7 - диэлектрические слои оксида кремния,
8-9 - монослои графена,
10 - источник питания,
11 - блок управления.
Модель устройства для управления фазовой и групповой скоростью поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона состоит из источника излучения 1, поляризатора 2, выделяющего из падающего на него излучения ТМ-поляризацию, глухого зеркала 3 для направления поляризованного электромагнитного излучения в призму ввода 4. Излучение вводится в многослойную волноводную структуру, представляющую собой  пленку полупроводника типа  6, которая находится между двумя диэлектрическими обкладками 5 и 7 из оксида кремния  с диэлектрической проницаемостью (ДП) .
Для пленки полупроводника 6 ДП определяется выражением
(1)
где  - высокочастотное значение ДП,  - постоянная затухания,  - плазменная частота полупроводника, ниже которой действительная часть ДП становится отрицательной. Для существования ПВ в структуре необходимо, чтобы в рабочем диапазоне частот для действительной части ДП (1) выполнялось условие . Для расчетов выбрано значение плазменной частоты , характерное для высоколегированных n-полупроводников (с концентрацией носителей  и выше).
На каждой границе между полупроводником и диэлектриком нанесены монослои из графена 8 и 9, частотные зависимости нормированной поверхностной проводимости  которых при рабочей температуре  приведены для двух значений ХП  (кривые 12,14) и  (кривые 13,15) на фиг. 2, где - статическая проводимость. Значения ХП можно изменять в эксперименте с помощью внешнего электрического поля. Видно, что с ростом ХП область резкого роста собственной проводимости  (сплошные кривые) смещается в область более высоких частот. Такое же смещение испытывает минимум мнимой части проводимости  (пунктирные кривые). Наличие отрицательных значений мнимой части проводимости в широкой частотной области также указывает на возможность распространения в структурах на основе графеновых слоев поверхностных волн. ХП графеновых слоев и их электрические проводимости могут управляться с помощью прикладываемого напряжения от внешнего источника 10, который соединен электродами с каждым из графеновых слоев. Внешний блок управления 11 соединен с элементами 1, 2 и 10.
Принцип действия предлагаемой полезной модели состоит в следующем. Излучение оптической частоты  от источника излучения 1 попадает на поляризатор 2, после которого становится полностью ТМ-поляризованным. После прохождения поляризатора излучение направляется зеркалом 3 к устройству ввода 4. Полностью поляризованное излучение, пройдя через призму ввода 4, попадает в волноводную структуру и при выполнении условия  преобразуется в поверхностную электромагнитную волну плазмон-поляритонного типа и распространяется вдоль двух проводящих границ раздела между полупроводниковой пленкой 5 и диэлектриками  6 и 7.
Связь между константой распространения ПВ и ее частотой дается следующим дисперсионным соотношением:
(2),
d
где - толщина пленки (при расчетах использовалось значение ), а - поперечная компонента волнового вектора в слое полупроводника, - константа распространения, - волновое число в вакууме, - проводимость графена на фиксированной частоте. Для того чтобы замедление проявлялось наиболее заметно, генератор должен поддерживать частоту излучения, близкую к критической частоте .  В предлагаемой  волноводной структуре в спектральном диапазоне  могут распространяться ПВ как с симметричным, так и с антисимметричным характером распределения электрического поля. Дисперсия обоих типов волн чувствительна к изменению ХП графеновых слоев, что позволяет управлять групповыми  и фазовыми скоростями  ПВ. Частотные зависимости для групповых скоростей приведены на фиг. 3 для структур без графена (кривая 16) и для структур с графеновыми обкладками, имеющими ХП  (кривая 17) и  (кривая 18). В области  величина групповой  скорости  уменьшается с ростом частоты, при этом знак  положителен. Вблизи критической частоты, соответствующей точке перегиба дисперсионных зависимостей , реализуется максимальное замедление ПВ, групповая  скорость  достигает минимальных значений, на два порядка меньших скорости света в вакууме. При  групповая  скорость меняет свой знак, а при  групповая скорость . Частота  зависит от ДП всех сред, уровня потерь, толщины волноводного слоя и определяется численно. В интервале частот   групповая скорость отрицательна и становится возможным существование обратных ПВ, для которых полный поток переносимой энергии направлен противоположно направлению фазовой скорости. Таким образом, в области  исследуемую волноводную структуру можно рассматривать как эффективную «левую» среду, в которой может осуществляться эффективное взаимодействие дрейфового тока в полупроводниковой пленке и ПВ.  Условие  позволяет реализовать как усиление, так и генерацию ПВ в рассматриваемой структуре, работающей в данном режиме по принципу направленного ответвителя. Наиболее эффективное управление групповой скоростью осуществляется вблизи критической частоты.
На фиг. 4 приведены частотные зависимости фазовой скорости ПВ (кривые 19-21). Видно, что по мере приближения частоты к критической, наблюдается ее существенное уменьшение. Наличие графена на границах волновода позволяет дополнительно снизить фазовую скорость ПВ на той же частоте (кривые 20 и 21). Так, при выбранных расчетных параметрах минимально возможное значение фазовой скорости в волноводе без графена на критической частоте составляет . В волноводе с графеном при одинаковых значениях ХП обкладок , что в 40 раз меньше скорости света в вакууме.  Таким образом, достигнута основная цель - разработана модель замедляющего плазмонного волновода, в котором групповые и фазовые скорости могут управляться посредством изменения ХП графеновых слоев. В частности, появляется возможность создания структур с различной концентрацией носителей в каждом из слоев графена, что открывает дополнительные возможности для управления фазовыми и групповыми скоростями распространяющихся в структуре ПВ.