Abstract

We present a mid-IR highly tunable optical polarization converter composed of asymmetric graphene nanocrosses. It can convert linearly polarized light to circularly and elliptically polarized light or exhibit a giant optical activity at different wavelengths. The transmitted wavelength and polarization states can also be dynamically tuned by varying the Fermi energy of graphene, without reoptimizing and refabricating the nanostructures. This offers a further step in developing a controllable polarization converter.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Y. Huang, Y. Zhou, and S. Wu, Opt. Express 15, 6414 (2007).
    [CrossRef]
  2. A. Pors, M. G. Nielsen, G. D. Valle, M. Willatzen, O. Albrektsen, and S. I. Bozhevolnyi, Opt. Lett. 36, 1626 (2011).
    [CrossRef]
  3. F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
    [CrossRef]
  4. C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
    [CrossRef]
  5. M. Mutlu, A. E. Akosman, A. E. Serebryannikov, and E. Ozbay, Opt. Lett. 36, 1653 (2011).
    [CrossRef]
  6. F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
    [CrossRef]
  7. L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
    [CrossRef]
  8. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
    [CrossRef]
  9. S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
    [CrossRef]
  10. J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
    [CrossRef]
  11. F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
    [CrossRef]
  12. K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
    [CrossRef]
  13. COMSOL Multiphysics User’s Guide., Version 3.5 (Comsol AB, Brulington, Massachusetts, 2008).
  14. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
    [CrossRef]
  15. J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1999).

2012 (3)

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
[CrossRef]

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

2011 (5)

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

M. Mutlu, A. E. Akosman, A. E. Serebryannikov, and E. Ozbay, Opt. Lett. 36, 1653 (2011).
[CrossRef]

F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
[CrossRef]

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

A. Pors, M. G. Nielsen, G. D. Valle, M. Willatzen, O. Albrektsen, and S. I. Bozhevolnyi, Opt. Lett. 36, 1626 (2011).
[CrossRef]

2010 (1)

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

2004 (1)

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Akosman, A. E.

Albrektsen, O.

Avouris, P.

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Bechtel, H. A.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Bonaccorso, F.

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

Bozhevolnyi, S. I.

Chakrabarty, A.

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

Chang, D. E.

F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
[CrossRef]

Christensen, J.

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

de Abajo, F. J. G.

S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
[CrossRef]

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
[CrossRef]

Dubonos, S. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Falkner, M.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Ferrari, A. C.

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

Firsov, A. A.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Geim, A. K.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Geng, B.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Girit, C.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Grigorieva, I. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Hao, Z.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Hasan, T.

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

Heinz, T. F.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Helgert, C.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Horng, J.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Huang, Y.

Jackson, J. D.

J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1999).

Jiang, D.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Ju, L.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Kley, E.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Koppens, F. H. H.

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

Koppens, F. H. L.

S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
[CrossRef]

F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
[CrossRef]

Lederer, F.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Liang, X.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Lin, Y. M.

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Lui, C. H.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Manjavacas, A.

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

Mark, K. F.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Martin, M.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Menzel, C.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Minkowski, F.

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

Misewich, J. A.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Morozov, S. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Mueller, T.

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Mutlu, M.

Nielsen, M. G.

Novoselov, K. S.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Ozbay, E.

Pertsch, T.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Pors, A.

Pshenay-Severin, E.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Rockstuhl, C.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Serebryannikov, A. E.

Sfeir, M. Y.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Shen, Y. R.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Sun, K.

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

Sun, Z.

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

Thongrattanasiri, S.

S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
[CrossRef]

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

Tünnermann, A.

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

Valdes-Garcia, A.

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Valle, G. D.

Wang, F.

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Wei, Q.

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

Willatzen, M.

Wu, S.

Wu, Y.

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Xia, F. N.

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Zettl, A.

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

Zhang, Y.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Zhou, Y.

ACS Nano (1)

J. Christensen, A. Manjavacas, S. Thongrattanasiri, F. H. H. Koppens, and F. J. G. de Abajo, ACS Nano 6, 431 (2012).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

F. Wang, A. Chakrabarty, F. Minkowski, K. Sun, and Q. Wei, Appl. Phys. Lett. 101, 023101 (2012).
[CrossRef]

Nano Lett. (2)

C. Helgert, E. Pshenay-Severin, M. Falkner, C. Menzel, C. Rockstuhl, E. Kley, A. Tünnermann, F. Lederer, and T. Pertsch, Nano Lett. 11, 4400 (2011).
[CrossRef]

F. H. L. Koppens, D. E. Chang, and F. J. G. de Abajo, Nano Lett. 11, 3370 (2011).
[CrossRef]

Nat. Nanotechnol. (2)

L. Ju, B. Geng, J. Horng, C. Girit, M. Martin, Z. Hao, H. A. Bechtel, X. Liang, A. Zettl, Y. R. Shen, and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 6, 630 (2011).
[CrossRef]

F. N. Xia, T. Mueller, Y. M. Lin, A. Valdes-Garcia, and P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
[CrossRef]

Nat. Photonics (1)

F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nat. Photonics 4, 611 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. Lett. (2)

S. Thongrattanasiri, F. H. L. Koppens, and F. J. G. de Abajo, Phys. Rev. Lett. 108, 047401 (2012).
[CrossRef]

K. F. Mark, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 101, 196405 (2008).
[CrossRef]

Science (1)

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Other (2)

J. D. Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley, 1999).

COMSOL Multiphysics User’s Guide., Version 3.5 (Comsol AB, Brulington, Massachusetts, 2008).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Schematic model of asymmetric graphene nanocrosses on a substrate and (b) unit cell structure of our design: L 1 = 70 nm , W 1 = 63 nm , L 2 = 80 nm , W 2 = 16 nm , and the periodicity is 90 nm. Red (vertical) and blue (horizontal) dashed lines indicate the cutting positions.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Calculated transmission coefficients and (b) phase difference excited by linearly polarized light. The Fermi energy is 0.75 eV. Insets: z components of the electric near-field in the x z and y z planes.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a)–(c) Amplitude ratio and phase difference versus the incident polarization angle at different wavelengths and (d)–(f) the rotated polarization angle and ellipticity versus the incident polarization angle at different wavelengths. The Fermi energy is 0.75 eV. The right images indicate that the graphene nanocrosses can exhibit a giant optical activity or conversation at different wavelengths.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Calculated amplitude ratio and (b) phase difference as a function of the Fermi energy and wavelength. Inset images show the transmitted polarization state for different Fermi energies at a wavelength of 7.92 μm. The incident light is linearly polarized with a polarization angle of 45°.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

E x 2 | E x | 2 + E y 2 | E y | 2 E x E y | E x | | E y | cos ( Δ Φ ) = sin 2 ( Δ Φ ) ,

Metrics