技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种
石墨烯双曲超材料圆柱波导，可用于太赫兹波段
光子学、集成光子器件、双曲超材料人工微结构等技术领域。
背景技术
[0002] 偏振态是光的重要特性之一，其矢量特性使得其与物质之间发生错综复杂的相互作用，依此人们得以制作各种各样的光学器件和光学系统。过去的研究主要针对的是空间均匀偏振态，如线偏振、圆偏振等等，对于这种情况，偏振态并不依赖于光束的空间
位置。随着人们对光学的深入探索，发现了空间非均匀偏振分布的矢量光束。矢量光束的偏振态随着空间的变化而变化，这个特点使得其具有许多新的效应和现象，很好地拓展了光学系统的功能。其中，一类特殊的矢量光束是偏振态在光束传播方向横截面上面呈柱对称分布的柱矢量光束(CVBs)，按照CVB的
电场在空间上的分布特点可以将其分为径向偏振光、旋向偏振光和一般柱矢量光束。
[0003] 近十年来，尤其在光子集成领域，人们已经相继提出众多可以将光场限制在纳米尺度的表面等离激元波导结构，如介质-金属-介质波导结构，金属-介质-金属波导结构，金属缝结构，V槽波导结构等。而石墨烯双曲超材料在
近红外到太赫兹波段的
介电常数是小于0的，可以用来代替金属作为HMMs的组成材料，由于
单层石墨烯的厚度只有0.335nm左右，因此组成的HMMs具有更小的周期单元和更低的损耗。但目前石墨烯-
电介质多层膜结构多以平面出现，没有实现圆柱波导的柱矢量光束分布。
发明内容
[0004] 本实用新型的目的就是为了解决
现有技术中存在的上述问题，提出一种石墨烯双曲超材料圆柱波导。
[0005] 本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种石墨烯双曲超材料圆柱波导，该石墨烯双曲超材料圆柱波导结构为一个同轴圆柱结构，包括由内向外的两种材料A、B，A、B分别为SiO2与石墨烯材料，圆柱波导横截面最内层为实心SiO2，再由内向外是交替排列的n层石墨烯和n-1层SiO2圆环，最内层实心SiO2圆柱的半径为r，每层石墨烯圆环厚度为dg，每层SiO2圆环厚度为dd。
[0006] 优选地，所述SiO2的介电常数为2.2，在30μm
波长光入射下，所对应石墨烯的介电常数为εm＝-1334.4-42.774i，石墨烯的切向介电常数εmt＝-1335.6-42.774i。
[0007] 优选地，所述同轴圆柱结构共有16层，圆柱波导横截面最内层为实心SiO2，再由内向外是交替排列的8层石墨烯和7层SiO2圆环。
[0008] 优选地，所述最内层SiO2圆柱的半径为r＝114nm。
[0009] 优选地，所述每层石墨烯圆环厚度为dg＝1nm。
[0010] 优选地，所述每层SiO2圆环厚度为dd＝19nm。
[0011] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：利用柱波导结构代替原有的平面结构，将其设计为柱对称结构，用以调控柱对称的径向偏振光。当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在圆环的结构中，不仅可以有很强的模场限制能
力，而且具有长距离传输的特性，突破了原有偏振模式，实现了径向偏振光的限制性传输，而且因为结构尺寸小，集成度高，此波导可应用于超高
密度集成光路，对实现各类表面等离激元器件、高集成度光子器件具有十分重要的意义。
[0012] (1)本实用新型实现了径向偏振光的限制性传输，突破了现有技术的偏振态局限性。
[0013] (2)本实用新型具有高折射率，有较强的光场限制能力，可以将光场限制在波导结构中。
[0014] (3)本实用新型结构紧凑，结构尺寸小，因此便于光子集成，可应用于超高密度集成光路，制成集成光子器件。
[0015] (4)本实用新型由于石墨烯可调，结构尺寸可调，通过合理设计，可以实现长距离传播。
附图说明
[0016] 图1为本实用新型
实施例石墨烯双曲超材料圆柱波导结构截面示意图。
[0017] 图2为本实用新型实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式表面电场模|E|分布图。
[0018] 图3为本实用新型实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式表面电场模|E|沿波导截面直径分布曲线。
[0019] 图4为本实用新型实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式偏振分布图，箭头标明径向偏振态。
[0020] 图5为本实用新型实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式有效折射率
实部neff_r及有效折射率
虚部neff_i随最内层SiO2半径变化关系图。
具体实施方式
[0021] 本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
[0022] 本实用新型揭示了一种石墨烯双曲超材料圆柱波导，该石墨烯双曲超材料圆柱波导为一种高集成度、高折射率、传播距离长、可实现径向偏振光限制性传输的可调圆柱波导。
[0023] 如图1所示，该石墨烯双曲超材料圆柱波导包括A、B两种材料，A、B分别是SiO2与石墨烯材料，整个波导结构是一个十六层同轴圆柱结构。图1空白部分为SiO2，由于石墨烯相对SiO2层很薄，用实线表示。圆柱波导横截面最内层为实心SiO2，再由内向外是交替排列的n层石墨烯和n-1层SiO2圆环。最内层实心SiO2圆柱的半径为r，每层石墨烯圆环厚度为dg，每层SiO2圆环厚度为dd。在本实施例中，最内层实心SiO2圆柱的半径为r＝114nm，每层石墨烯圆环厚度为dg＝1nm，每层SiO2圆环厚度为dd＝19nm，再由内向外共有8层石墨烯和7层SiO2圆环交替排列，整个波导的半径为255nm。
[0024] 本实施例中选取了SiO2与石墨烯双曲超材料，其中SiO2的介电常数为2.2，在30μm波长光入射下，所对应石墨烯的介电常数为εm＝-1334.4-42.774i，石墨烯的切向介电常数εmt＝-1335.6-42.774i。
[0025] 选取30μm波长光入射，光场被很好的限制在波导结构中，且除线偏振光外，还可以实现径向偏振光的限制性传输，在结构较为紧凑的情况下，传播距离也较长。
[0026] 传播距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值1/e时的距离，其表达式为：
[0027] L＝1/(k0neff_i)＝λ/(2πneff_i)
[0028] 其中，k0是
真空中的波矢，neff_i是波导的模式有效折射率的虚部。
[0029] 模式有效折射率的实部反映圆柱波导结构中的模式限制能力，而虚部大小决定了在波导中传播时传输损耗的大小。
[0030] 进一步地，在30μm波长径向偏振光入射下，圆柱波导的半径为255nm，该波导的模式有效折射率neff为18.909-0.32198i，其中模式有效折射率的实部neff_r为18.909较高，高折射率反映了较强的模式限制能力；模式有效折射率的虚部neff_i为0.32198，可以计算出该模式的传播距离为14.83μm，即可实现长距离传播。
[0031] 进一步，由于柱对称结构支持的偏振模式更多，利于调控柱对称的径向偏振光，同时由于石墨烯是一种可调性高的材料，可以通过调节石墨烯的化学势、
温度及入射光波长改变石墨烯的介电常数等相关参数；也可以通过改变最内层SiO2的半径r或者改变石墨烯圆环及SiO2圆环的周期数来进行优化。
[0032] 图2是实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式|E|分布图，其中最内层实心SiO2圆柱的半径为r＝114nm，每层石墨烯圆环厚度为dg＝1nm，每层SiO2圆环厚度为dd＝19nm，再由内向外共有8层石墨烯和7层SiO2圆环交替排列，整个波导的半径为255nm。图中用等值线的疏密与分布反映光场分布，可见在30μm波长光入射下，光场主要被限制在波导结构中，且在圆周上等值分布。
[0033] 图3是实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式|E|沿波导截面直径分布曲线，由图可见，波导结构内的表面电场模远高于波导结构外，也远高于最内层SiO2圆柱的表面电场模，因此认为光场被限制在波导结构内，且主要集中在石墨烯与SiO2周期性排列的部分。
[0034] 图4是实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式偏振分布，箭头标明径向偏振态，在传输光
信号的波长为30μm时，由图可知，径向偏振光的电场振动方向沿着径向，实现了径向偏振光的限制性传输，突破了原有偏振模式的限制。
[0035] 图5为实施例波长为λ＝30μm的径向偏振光波导模式有效折射率实部neff_r及有效折射率虚部neff_i随最内层SiO2半径r变化关系图。由图可知，在增大最内层SiO2半径r时，模式有效折射率实部和虚部都会随着r的增大先减小再增大，模式有效折射率实部neff_r最小值仍大于18.5，具有高折射率，具有较强的模式限制能力，而有效折射率虚部neff_i基本小于0.336，通过计算，可以得到较长的传播距离。由图可知，通过调节r的大小可以实现模式有效折射率的优化调整。
[0036] 在30μm波长光入射下，该波导结构可以实现将光场限制在结构区域中，进一步缩小光场分布的范围，实现了径向偏振光的限制性传输。所述结构尺寸小，集成度高，同时具有高折射率、长传播距离的特性，通过改变结构半径、层数或者调节石墨烯相关参数可以实现对光场分布和折射率的优化。本实用新型
专利可应用于超高密度集成光路，为在集成光子器件领域实现超高集成度提供了可能，在集成光学领域、超材料人工微结构领域具有一定的应用价值。
[0037] 本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
