Abstract
Graphene, a 2D carbon sheet with a honeycomb lattice, is a two-dimensional material with outstanding thermal, mechanical, electronic and optical properties. In particular, graphene is a gapless material with high mobility that exhibits remarkably high absorption values (~2.3%) for the visible and near-infrared wavelengths. In this paper, we will illustrate some applications of graphene photonics and plasmonics, reported in literature, in different research fields and we will investigate theoretically and experimentally the linear and nonlinear properties of graphene-based nanostructures such as one-dimensional (1D) photonic crystals (PhCs) and 1D gratings. In particular, we will show how to exploit the large nonlinear response and the saturation effects of graphene monolayers, sandwiched in the defect layer of an asymmetric 1D photonic crystal, to dynamically change the structure from a perfect absorber (100%) to a mirror. We will also show how it is possible to tune the working wavelength by tilting the angle of incidence of the impinging electromagnetic field for both TE and TM polarizations. Finally, we will report on a 1D dielectric grating, incorporating a graphene monolayer, that resembles the 1D PhC optical response exploiting guided mode resonances. Therefore, the proposed nanostructures could efficiently exploit the linear and nonlinear properties of the graphene monolayer for the realization of tunable absorbers or saturable mirrors improving and boosting the performance of optical devices such as photo-detectors and short-pulse lasers
چکیده
گرافن یک ورقه کربنی دوبعدی با یک شبکه شش گوش است. گرافن یک ماده دوبعدی با خصوصیات گرمایی، مکانیکی، الکترونیکی و اپتیکی ممتاز می باشد. بخصوص گرافن یک ماده بدون گاف با تحرک بالاست که مقدار جذب بسیار بالایی را برای طول موج های مرئی و نزدیک فروسرخ دارد (~2.3%).
در این مقاله، ما به توضیح برخی کاربردهای فوتونیک و پلاسمونیک گرافن می پردازیم که در زمینه های تحقیقاتی مختلف در مقالات گزارش شده اند و خصوصیات خطی و غیرخطی نانوساختارهای گرافنی نظیر کریستال های فوتونیکی یک بعدی (PhCs) و توری های یک بعدی را به صورت تئوری و تجربی بررسی خواهیم کرد. همینطور نشان خواهیم داد چطور می توان از پاسخ غیرخطی بزرگ و اثرات اشباع تک لایه های گرافن که در لایه ناقص یک کریستال فوتونیکی یک بعدی نامتقارن ساندویچ شده اند، بهره گرفت. همینطور نشان خواهیم داد چطور می توان طول موج کار را با کج کردن زاویه فرود میدان الکترومغناطیسی ورودی برای هر دو قطبش TE و TM ، تنظیم نمود. در پایان ما درباره یک توری دی الکتریک یک بعدی گزارش خواهیم داد که شامل یک تک لایه گرافن است و مشابه پاسخ اپتیکی یک بعدی PhC می باشد که از تشدیدهای مد هدایت شده استفاده می کند.
از این رو نانوساختارهای پیشنهادی می توانند از خصوصیات خطی و غیرخطی تک لایه گرافن بطور موثر برای تحقق جاذب های قابل تنظیم یا آینه های قابل اشباعی که عملکرد دستگاه های اپتیکی نظیر فوتوآشکارسازها و لیزرهای پالس کوتاه را بهبود می دهند، بهره بگیرند.
-1مقدمه
گرافن یک لایه تک اتمی از گرافیت است که شامل اتم های کربن بسیار بهم فشرده به صورت یک شبکه شش گوش می باشد (1). گرافن یک پیکربندی sp2 دارد که به ضخامت کل حدود 0.34 nm می انجامد. این ماهیت دوبعدی علت بروز خصوصیات الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار استثنایی از این ماده است. در واقع از نظر تئوری و تجربی ثابت شده است که میزان جذب یک تک لایه گرافن به پارامترهای ماده بستگی ندارد بلکه تنها به ثابت های بنیادی وابسته است زیرا برابر πα می باشد (با ثابت ریز ساختار 
تعریف می شود) و متناظر با حدود 2.3% در محدوده نور مرئی است (2). حتی اگر این مقدرا ثابت در مقایسه با مواد حجیم دیگر بسیار بالا باشد، جذب گرافن را می توان با ترکیب این ماده دوبعدی با نانوساختارهای فوتونیکی و پلاسمونیکی، بسیار افزایش داد (3و4).
در این مقاله ما به تفصیل به طراحی یک 1D-PhC ربع موجی نامتقارن با یک نقص گرافنی می پردازیم. ترکیب حالت موضعی در گاف باند PhC و حضور تک لایه گرافنی امکان دستیابی به یک رفتار جذب بی نقص را فراهم می کند. در واقع ما به توصیف پاسخ جذبی ساختار تناوبی بر حسب تعداد تناوب موجود در آینه های M1 و M2، زاویه فرود چشمه تابش و اتلاف ماده می پردازیم. بعلاوه با استفاده از غیرخطی بودن قوی مرتبه سوم و اثرات اشباع در گرافن، پاسخ قابل اشباع را در زمانی که تابندگی پمپ تغییر می کند، بررسی می کنیم (3، 5-7)…