Reconfigurable plasmonic filters and spatial dispersion effects in graphene technology for terahertz applications

Abstract

[ENG]The exceptional electrooptical, thermal, and mechanical properties of graphene has motivated an enormous interest from the scienti c community in a wide variety of elds in recent years. In particular, the capability of mono- and multilayer graphene to support highly con ned recon gurable surface plasmon polaritons in the terahertz (THz) and infrared regime has motivated an explosive growth of graphene plasmonics, a discipline which is paving the way towards fully integrated THz transceivers and sensing systems. In this project, we rst present the novel design and analysis of planar recon gurable THz lters hosted in graphene nanoribbons, which are e ciently designed taking advantage of the quasistatic nature of graphene surface plasmon polaritons (SPPs) in nanostructures and graphene's eld e ect. The proposed lters are highly miniaturized and present recon guration capabilities not possible with other technologies in the THz band. Spatial dispersion in graphene sheets is then reviewed. This e ect is closely related to the quantum capacitance of graphene and strongly a ects surface wave propagation under certain circumstances. This phenomenon is studied in the THz and near infrared frequency bands, and accurate equivalent circuits that provide deep physical insight and simplify design tasks are developed. The practical implications of spatial dispersion regarding THz graphene-based plasmonic devices like the lters mentioned above are discussed.[SPA]Las excepcionales propiedades térmicas, mecánicas y electro-ópticas del grafeno han atraído un enorme interés de las comunidades cientí cas de diversas áreas en los últimos años. La capacidad del grafeno de soportar la excitación y propagación de plasmones de super cie en la bandas de terahercios (THz) e infrarrojos han motivado un crecimiento explosivo del estado del arte en cienca y tecnología de plasmones en estas bandas de frecuencias, una disciplina que podría ser crucial para el futuro desarrollo de sistemas integrados y altamente miniaturizados de comunicación, detección y sensores. En este proyecto, se presenta en primer lugar la síntesis y análisis de ltros planares recon gurables en la banda de THz mediante control electrostático de plasmones en tiras de grafeno. Se ha desarrollado una técnica de diseño e ciente, explotando la naturaleza cuasi-estática de este tipo de ondas electromagnéticas en tiras de ancho mucho menor que la longitud de onda. Se ilustra el rendimiento de estos ltros con múltiples ejemplos, demostrando capacidades de recon guración que no son posibles con otras tecnologías. Posteriormente se estudia de forma analítica el fenómeno de dispersión espacial en guías de onda mono- y multicapa de grafeno. Se establece una conexión entre este fenómeno y la capacidad cuántica intrínseca del material, y se estudia cómo afecta a las propiedades electromagneticas del grafeno en la banda de THz. Se han desarrollado circuitos equivalentes capaces de modelar la propagación de plasmones en estas estructuras, proporcionando una importante comprensión de los diferentes mecanismos de propagación una herramienta útil para el diseño de dispositivos. Por último, se analizan mediante ejemplos numéricos las implicaciones prácticas de la dispersión espacial en la respuesta de los filtros diseñados.