Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Wide-range tunable subwavelength band-stop filter for the far-infrared wavelengths based on single-layer graphene sheet

Mohammed Nadhim Abbas and Farooq Abdulghafoor Khaleel

Department of Electrical Engineering, College of Engineering, University of Baghdad, Al-Jadriya, Iraq

Download this article

Abstract. A subwavelength metamaterial consisting of array of aluminium conductors is proposed and numerically analyzed using a finite-element method. This material is suggested for a tunable active band-stop filter working in the far-infrared region. A cell of our metamaterial-based structure is composed of a rhombic-shaped aluminium conductor, a rubidium-bromide dielectric, and a graphene sheet deposited on the dielectric in order to achieve tunability. A strong confinement of electromagnetic energy absorbed in the dielectric results in a highly efficient absorption. The suggested structure with the graphene sheet exposed to air can act as a highly sensitive refractive-index sensor (the sensitivity 6.8 μm/RIU). Due to a small size of our structure, it reveals perfect absorption at the far-infrared wavelengths and wide-range absorption tuning (from 23.6 to 38.1 µm). The meta¬materials with the above structure can result in perfect absorbers for biomedical sensing.

Keywords: subwavelength structures, plasmonic devices, far-infrared absorbers, graphene, band-stop filters, finite-element method

PACS: 78.20.Hp, 42.79.Jq
UDC: 535.42, 535.012.2
Ukr. J. Phys. Opt. 20 37-45

doi: 10.3116/16091833/20/1/37/2019

Received: 16.01.2019

Анотація. Запропоновано перестроюваний субхвильовий метаматеріал, який складається з масиву алюмінієвих провідників, і чисельно проаналізовано його з використанням методу скінченних елементів. Запропоновано використовувати цей матеріал для побудови активного фільтра затримки в далекій інфрачервоній області. Кожна комірка структури на метаматеріалі складається з алюмінієвого провідника ромбічної форми, діелектрика (броміду рубідію) і графенового листа, нанесеного на діелектрик для досягнення ефекту перестроювання. Сильний конфайнмент електромагнітної енергії, поглинутої в діелектрику, приводить до високоефективної функції поглинача. Запропонована структура з графеновим листом, піддана впливові повітря, можу слугувати високочутливим давачем показника заломлення (чутливість 6,8 мкм/RIU). Завдяки невеликим розмірам структури, вона виявляє ідеальне поглинання в області далеких інфрачервоних хвиль і широкий діапазон поглинання (від 23,6 до 38,1 мкм). Метаматеріали з описаною структурою сприятимуть побудові ідеальних поглиначів для біомедичних сенсорів.
 
REFERENCES
  1. Vatansever F and Hamblin M R, 2012. Far infrared radiation (FIR): its biological effects and medical applications. Photon. Lasers Med. 4: 255–266. doi:10.1515/plm-2012-0034
  2. Wei Z, Li X, Yin J, Huang R, Liu Y, Wang W, Liu H, Meng H and Liang R, 2016. Active plasmonic band-stop filters based on graphene metamaterial at THz wavelengths. Opt. Express. 24: 14344–14351. doi:10.1364/OE.24.014344
  3. Stefan A M. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer: Science+Business Media LLC (2007). 
  4. Alipour A H and Mir A, 2018. Design and simulation of a high-selective plasmon-induced reflectance in coupled dielectric-metal-dielectric nano-structure for senor devices and slow light propagation. Plasmonics. 1–11. doi:10.1007/s11468-018-0829-9
  5. Li H, Qin M, Wang L, Zhai X, Ren R and Hu J, 2017. Total absorption of light in monolayer transition-metal dichalcogenides by critical coupling. Opt. Express. 25: 31612–31621. doi:10.1364/OE.25.031612
  6. Chen P Y and Alù A, 2011. Atomically thin surface cloak using graphene monolayers. ACS Nano. 5: 5855–5863. doi:10.1021/nn201622e
  7. Serebryannikov A E, Hajian H, Beruete M, Ozbay E and Vandenbosch G A E, 2018. Tunable deflection and asymmetric transmission of THz waves using a thin slab of graphene-dielectric metamaterial, with and without ENZ components. Opt. Mater. Express. 8: 3887–3898. doi:10.1364/OME.8.003887
  8. Ogawa S, Shimatani M, Fukushima S, Okuda S and Matsumoto K, 2018. Graphene on metal-insulator-metal-based plasmonic metamaterials at infrared wavelengths. Opt. Express. 26: 5665–5674. doi:10.1364/OE.26.005665
  9. Bludov Y V, Vasilevskiy M I and Peres N M R, 2012. Tunable graphene-based polarizer. J. Appl. Phys. 112: 84320. doi:10.1063/1.4759319
  10. Huang J, Yang J, Zhang H, Zhang J, Wu W and Chang S, 2016. Analysis of tunable flat-top bandpass filters based on graphene. IEEE Photon. Technol. Lett. 28: 2677–2680. doi:10.1109/LPT.2016.2615064
  11. Ren J and Yin J Y, 2018. Cylindrical-water-resonator-based ultra-broadband microwave absorber. Opt. Mater. Express. 8: 2060–2071. doi:10.1364/OME.8.002060
  12. Danaeifar M, Granpayeh N, Mohammadi A and Setayesh A, 2013. Graphene-based tunable terahertz and infrared band-pass filter. Appl. Opt. 52: E68–E72. doi:10.1364/AO.52.000E68
  13. Lumeau J and Glebov L B, 2013. Modeling of the induced refractive index kinetics in photo-thermo-refractive glass. Opt. Mater. Express. 3: 95–104. doi:10.1364/OME.3.000095
  14. Yang Q, Qin L, Cao G, Zhang C and Li X, 2018. Refractive index sensor based on graphene-coated photonic surface-wave resonance. Opt. Lett. 43: 639–642. doi:10.1364/OL.43.000639
  15. Liu M, Yin X, Ulin-Avila E, Geng, T. Zentgraf B, Ju L, Wang F and Zhang X, 2011. A graphene-based broadband optical modulator. Nature. 474: 64. doi:10.1038/nature10067
  16. Fuentecilla-Carcamo I, Palomino-Ovando M and Ramos-Mendieta F, 2017. One dimensional graphene based photonic crystals: Graphene stacks with sequentially-modulated doping for photonic band gap tailoring. Superlattices Microstruct. 112: 46–56. doi:10.1016/j.spmi.2017.09.012
  17. Vakil A and Engheta N, 2011. Transformation optics using graphene. Science. 332: 1291–1294. doi:10.1126/science.1202691
  18. Cai Y, Xu K D, Guo R, Zhu J and Liu Q H, 2018. Graphene-based plasmonic tunable dual-band bandstop filter in the far-infrared region. IEEE Photon. J. 10: 1-9. doi:10.1109/JPHOT.2018.2876681
  19. Shi B, Cai W, Zhang X, Xiang Y, Zhan Y, Geng J, Ren M and Xu J, 2016. Tunable band-stop filters for graphene plasmons based on periodically modulated graphene. Sci. Rep. 6: 26796–26802. doi:10.1038/srep26796
  20. Goldflam M D, Ruiz I, Howell S W, Wendt J R, Sinclair M B, Peters D W and Beechem T E, 2018. Tunable dual-band graphene-based infrared reflectance filter. Opt. Express. 26: 8532–8541. doi:10.1364/OE.26.008532
  21. Wang C M, Chang Y C, Abbas M N, Shih M H and Tsai D P, 2009. T-shaped plasmonic array as a narrow-band thermal emitter or biosensor. Opt. Express. 17: 13526–13531. doi:10.1364/OE.17.013526
  22. Yao G, Ling F, Yue J, Luo C, Ji J and Yao J, 2016. Dual-band tunable perfect metamaterial absorber in the THz range. Opt. Express. 24: 1518–1527. doi:10.1364/OE.24.001518
  23. Mou N, Sun S, Dong H, Dong S, He Q, Zhou L and Zhang L, 2018. Hybridization-induced broadband terahertz wave absorption with graphene metasurfaces. Opt. Express. 26: 11728–11736. doi:10.1364/OE.26.011728
  24. Chen X, Grzegorczyk T M, Wu B I, Pacheco J and Kong J A, 2004. Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials. Phys. Rev. E. 70: 16608. doi:10.1103/PhysRevE.70.016608
  25. Smith D R, Schultz S, Marko P and Soukoulis C M, 2002. Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients. Phys. Rev. B. 65: 195104. doi:10.1103/PhysRevB.65.195104
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics