由于高载流子迁移率，石墨烯在开发高速光电探测器方面引起了极大的兴趣。在本研究中，对于实用的高性能光电探测器，我们重点研究了基于棱镜耦合和波长不敏感相位匹配的石墨烯完美吸收器中吸收带宽的显着扩大。

图1所示。(a)提议的石墨烯完美吸收器示意图，(b、d)无损结构的反射相位，(d、e)石墨烯吸收随波长和入射角的变化，棱镜(BK7)和空腔层(PDMS)的真实色散(左图)和非色散(右图)。

所提出的吸收器(图1(a))由棱镜(BK7，n₁)、空腔层(PDMS)、n₂)，空气(n_3.)，以及嵌入空腔层的单层未掺杂石墨烯，其中n₁>n₂>n_3.= 1。在感兴趣的入射角下，腔层底部的全内反射(TIR)可以被认为是一个单端口谐振系统。从耦合模理论(CMT)可以得到损耗谐振腔中的吸收为一个= 4γ_泄漏γ_损失/ ((ω- - - - - -ω_o）²+ (γ_泄漏+γ_损失）²),w_o，γ_泄漏,γ_损失分别为谐振频率、漏率和损耗率。谐振频率(或波长)由包括腔层相位延迟在内的多个反射波之间的相位匹配决定。如果可以控制使吸收峰产生的共振条件，以满足宽波长范围内的相位匹配，则可以在宽波长范围内实现近乎完美的吸收，同时提高FWHM。波长不敏感相位匹配的最佳入射角、腔体厚度和波长范围决定了棱镜与腔层材料色散的合理组合。与大多数透明材料一样，BK7和PDMS具有“正常色散，即它们的折射率随波长(d)单调减小n/ dλ< 0)，特别是n₂/n₁与波长成正比，这是波长不敏感相位匹配的基本要求。

实际上，对于BK7和PDMS的实际色散情况，最优θ = 67.98°和d₂= 6.4 mm，满足不含石墨烯的棱镜耦合结构的波长不敏感相位匹配(图1(b))。存在相当宽的波长范围(~1.3 μm <λ < ~ 2.0 μm)，其中反射相位(_ϕr)为~ π，对应于波不敏感相位匹配。其中，当单层石墨烯位于空腔层(d_一个= 0.5d₂)，吸收峰沿共振条件的轨迹存在，反射相位为π(图1(c))。在最优θ = 67.98°(白色虚线)附近，存在几乎平坦的吸收峰分支。我们的研究表明，在~ 300 nm (~1.37 μm < λ < ~1.67 μm)波长范围内，选择天然材料制备的棱镜和腔层可以获得几乎完美的吸收(> 99%)，这是我们所知道的最好的。我们设计的完美吸收体的半最大全宽度大于1.5 μm。相反，在非分散的情况下(n₁= 1.5012n₂= 1.3963)作为参考设计，谐振条件和吸收峰支路均表现出较强的波长相关相位匹配(图1(d-e))。对于任何低于临界角sin的入射角^－1（n₂/n₁) = 68.4539°时，反射相位随λ增大，无法实现波长不敏感的相位匹配。

提出的基于波长不敏感相位匹配的吸收方案也将用于光学传感器、太阳能电池、热辐射器和非线性光学等应用。

李尚俊，金尚金
亚洲大学电子与计算机工程系，韩国水原

出版

基于棱镜耦合中波长不敏感相位匹配的石墨烯超宽带完美吸收体
李尚俊，许亨俊，金尚根
2019年8月19日

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