پلاريتون‌هاي سطحي تنظيم‌پذير در بلور فوتوني يك‌بعدي حاوي فراماده هايپربوليك گرافن-پايه

در اين مقاله بصورت نظري به بررسي پلاريتون‌هاي سطحي در مرز بين يك محيط دي‌الكتريك يكنواخت نيمه‌بينهايت و يك بلور فوتوني يك‌بعدي پرداخته شده است. بلور فوتوني از تركيب لايه‌هاي دي‌الكتريك همسانگرد و لايه‌هايي از فراماده هايپربوليك گرافن-پايه تشكيل شده است. براي مطالعه لايه‌هاي فراماده از تقريب محيط موثر استفاده شده و نشان داده شده است كه اين لايه‌ها در بازه فركانسي معيني در ناحيه THz پاشندگي هايپربوليك دارند. نتايج بدست ‌آمده نشان مي‌دهد كه بلور فوتوني مورد بررسي در ناحيه فركانسي هايپربوليك نيز همانند ناحيه فركانسي بيضوي داراي باندهاي ممنوعه فوتوني در هر دو قطبش TE و TM است و امكان تحريك پلاريتون‌هاي سطحي در اين نواحي فركانسي وجود دارد. مشاهده شده است كه مشخصات پلاريتون‌هاي سطحي به پارامترهاي هندسي ساختار و همچنين به خواص اپتيكي تك لايه‌هاي گرافن وابسته است. در ادامه پروفايل ميدان الكترومغناطيسي تعدادي از مدهاي سطحي رسم شده و نشان داده شده است كه مدهاي باند ممنوعه اول جايگزيدگي بيشتري نسبت به مدهاي باند ممنوعه دوم دارند. در پايان، توزيع شدت يك باريكه گاوسي با قطبش TM در داخل و خارج بلور فوتوني شبيه‌سازي شده است كه جايگزيدگي پلاريتون‌هاي سطحي در مرز ساختار را تاييد مي‌كند.

In this paper, surface polaritons (SPs) at the interface of a semi-infinite homogeneous dielectric medium and a one-dimensional photonic crystal (PC) have been investigated theoretically. The PC is made of the alternate layers of an isotropic ordinary dielectric and a graphene-based hyperbolic metamaterial layers. The effective medium approach has been used for the study of the metamaterial layers and it is shown that they have hyperbolic dispersion in a certain frequency range at THz region. The obtained results show that the structure has some photonic band gaps in the hyperbolic and elliptical frequency regions for both TE and TM polarizations and can support the SPs in these frequency ranges. It is observed that the characteristics of the SPs depend on the geometrical parameters of the structure and optical parameters of the graphene monolayers. In the following, the electromagnetic field profiles of some SPs have been plotted and it is shown that the modes of the first band gap are more localized than the modes of the second band gap. Finally, the intensity distribution of a TM-polarized Gaussian beam inside and outside the PC has been simulated which is verifying the localization of the SPs at the interface of the structure.