石墨烯在红外和太赫兹波段能够支持TM偏振的表面等离激元(SPPs)，且比传统的金属SPPs具有更低的传输损耗和更强的模场束缚功能。目前，基于石墨烯SPPs的研究主要集中在单层、双层和周期性石墨烯阵列中。近来，多层石墨烯结构也引起了人们的研究兴趣。
武汉光电国家实验室超快光学团队陆培祥教授、王兵教授、博士生秦承志等针对任意层数石墨烯支持的等离激元超模(supermodes)进行了理论分析和数值模拟。通过传输矩阵理论分析各超模的色散关系，从而获得相应的模式等效折射率和模场分布。在弱耦合近似条件下，利用耦合波理论解释了等离激元超模的形成机制。SPP超模由各石墨烯单层的SPP模式线性叠加而成，其叠加系数决定了形成超模的各单层石墨烯SPP的相对振幅和相位。在所有可能的超模当中，反相耦合模式具有最低传播损耗和最短模式波长，其传输损耗随着石墨烯层数增加而降低。通过减少石墨烯层间距或增加石墨烯的化学势，可以进一步降低反相耦合超模的传输损耗。由于具有低的传输损耗和灵活的调谐特性，多层石墨烯结构在低损耗等离激元波导、深亚波长成像等方面有着潜在的应用前景。
该研究成果发表在光学期刊Optics Express (Vol.22, No.21, pp.25324-25332, 2014) 上，该项研究得到了国家基础研究计划973项目 (No.2014CB921301), 国家自然科学基金 (Nos.11304108和11104095)，教育部高等学校博士学科点专项科研基金 (No.20130142120091) 的支持。

图1 多层石墨烯结构

图2 不同层数石墨烯结构中的超模模场分布