CN103197486A - 一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，涉及调制放大器技术领域。包括衬底、波导芯层、两个欧姆接触电极、石墨烯层和绝缘介质层，所述波导芯层位于所述衬底上表面的中部，所述波导芯层的上面和左右侧面设有两个以上石墨烯层，每相邻的两个石墨烯层之间使用绝缘介质层进行电学隔离，两个欧姆接触电极位于所述波导芯层左右两侧的衬底上，最上层石墨烯层和最下层石墨烯层通过欧姆接触电极分别与正负电压相连。所述调制放大器可以实现对THz波的调制，同时实现对THz波的放大。

Description

一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器
技术领域
本发明涉及调制放大器技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器。
背景技术
太赫兹波（THz）介于微波与红外波之间，被称为“太赫兹空隙”，在短距离无线通信、生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测以及非破坏式探测等方面均具有潜在的应用，其独特的优越性已普遍被认识。推动THz技术进一步的发展和实际应用，不仅需要很好地解决可靠稳定的THz源、高灵敏高信噪比的THz探测器，同时还需要提供高性能、高集成度、廉价的太赫兹功能器件，如THz调制、开关、滤波、分束、偏振等新型功能器件。然而，与微波和光波段不同，绝大多数自然物质对太赫兹波缺乏有效响应，已有电子器件和光学器件也很难直接对太赫兹传输进行控制。因此，目前一个很大的瓶颈问题是缺乏有效的材料和器件来操控太赫兹波，这严重制约了太赫兹技术向实用化方向发展，成为太赫兹领域亟待解决的关键问题之一。
在未来THz应用中，宽带高速，小型化且调制效率高的THz调制器是必不可少的。科技工作者一直在通过寻找新型材料，设计新型器件结构来实现对太赫兹波的调制，以满足未来太赫兹测量系统和太赫兹通信发展的需要。
目前国际上对THz调制器的研究工作主要集中于：
（1）AlGaAs/GaAs结构，此种THz调制器最大调制深度为6%；
（2）基于超材料结构的THz调制器，但此种调制器本质上是窄带的；
（3）基于石墨烯材料THz体调制器，B.Sensale-Rodriguez等人进行的石墨烯基太赫兹调制器的研究，该调制器调制深度大于90%，同时最小信号损耗小于5%；到2012年，B.Sensale-Rodriguez等人研究了一种电控的石墨烯调制器，其理想调制深度达到100%，信号损耗低于15%。该类型THz调制器具有高速宽带的优点，但是不能实现对THz模式的控制。
2004年英国曼切斯特大学A.Geim研究组用剥离方法首先发现石墨烯（graphene）。它是继零维富勒烯、一维碳纳米管之后所发现的另一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单晶功能材料。虽然石墨烯的发现不过几年，但它所具有的特殊空间结构、显著的量子尺寸效应引起了人们的强烈关注。由于石墨烯独特的零带隙能带结构，室温下电子的超高迁移率，近弹道输运的电子性质，低于铜和银的电阻率，高导热性等特点，从晶体管，化学传感器到纳米机电器件，复合材料等领域有着很大的应用潜力；由于其独特的光吸收特性，石墨烯在光电器件上的应用逐渐被人们发觉，并被认为是最具潜力的应用方向之一。研究表明，通过改变石墨烯中的费米能级，调节带内电子空穴态密度，进而调节太赫兹波的通过率，因此石墨烯可以作为制作太赫兹波调制器的理想材料。
国际上对于石墨烯应用于THz调制器的研究刚刚起步，2011年才开始有文章陆续发表，主要的研究工作是利用调节石墨烯中的费米能级，调节在太赫兹波照射情况下适合带内传输的电子空穴态密度，通过调节太赫兹波的通过率，完成对太赫兹波的调制。国际上已经报道利用石墨烯和波导结构用于光学频段（通信频段1550nm）的调制器，但尚未见到利用石墨烯和波导结构实现对THz波的调制相关文章。由于目前大部分THz信号功率较低，传输损耗较大,THz信号的放大也极为重要。已有研究表明，石墨烯材料在适当的光学泵浦条件下，可以实现对THz波的放大功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，所述调制放大器可以实现对THz波的调制，同时实现对THz波的放大。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于包括衬底、波导芯层、两个欧姆接触电极、石墨烯层和绝缘介质层，所述波导芯层位于所述衬底上表面的中部，所述波导芯层的上面和左右侧面设有两个以上石墨烯层，每相邻的两个石墨烯层之间使用绝缘介质层进行电学隔离，两个欧姆接触电极位于所述波导芯层左右两侧的衬底上，最上层石墨烯层和最下层石墨烯层分别与一个欧姆接触电极相连。
优选的：所述波导芯层在THz波段的吸收系数                                                
Figure 2013101203051100002DEST_PATH_IMAGE001
。
优选的：衬底在THz波段的折射率大于波导芯层在THz波段的折射率，衬底的厚度大于三倍波导芯层的厚度。
优选的：所述衬底为二氧化硅，所述波导芯层为硅，所述绝缘介质层为氧化铝。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）提出基于石墨烯材料的波导结构，结构新颖；（2）提出将调制器和放大器集成在同一个器件上，可在实现对太赫兹波高速宽带深度调制的同时，实现对太赫兹波的放大，而目前已有的调制器均对调制信号有所衰减；（3）器件结构简单，按需设计，仅需通过改变波导参数，便可实现对整个太赫兹频段的调制，波导结构的引入也可以改善THz波的模式。（4）器件易于集成，可与THz信号源固态量子级联太赫兹激光器集成以及所用泵浦光通信频段波长1550nm激光器集成。基于石墨烯材料的THz调制放大器，其调制机理决定了调制为宽带调制，调制速率理论上受到石墨烯中载流子寿命限制，可达GHz量级。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是不加电压，使用两层石墨烯的调制放大器的能带示意图，
图3是加偏置电压后，使用两层石墨烯的调制放大器的能带示意图；
图4为 THz调制示意图；
其中：1、衬底 2、波导芯层 3、欧姆接触电极 4、石墨烯层 5、绝缘介质层 101、泵浦光 201、石墨烯 202、绝缘介质 203、费米能级 301、入射的连续THz波 302、本发明的调制放大器 303、调制信号 304、调制后的THz波。
具体实施方式
如图1所示，一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，包括衬底1、波导芯层2、两个欧姆接触电极3、石墨烯层4和绝缘介质层5。所述波导芯层2位于所述衬底1上表面的中部，所述波导芯层2的上面和左右侧面设有两个以上石墨烯层4，每相邻的两个石墨烯层4之间使用绝缘介质层5进行电学隔离。两个欧姆接触电极3位于所述波导芯层2左右两侧的衬底1上，最上层石墨烯层和最下层石墨烯层分别与一个欧姆接触电极相连。所述衬底1为二氧化硅，波导芯层2为硅，绝缘介质层5为氧化铝，欧姆接触电极为金，以上材料的选择不局限于上述举例，可根据需要进行适当选择。
波导结构采用非对称波导结构，其中波导芯层宽度为0-1
Figure 913571DEST_PATH_IMAGE002
，厚度为0-1，长度为0-2
Figure 922033DEST_PATH_IMAGE002
，衬底厚度要大于三倍的波导芯层厚度，厚度为0-3
Figure 317242DEST_PATH_IMAGE002
，绝缘介质层厚度为0-10
Figure 2013101203051100002DEST_PATH_IMAGE003
。最上层石墨烯和最下层石墨烯通过欧姆接触电极分别与正负电压相连，其中电极与石墨烯形成良好的欧姆接触，并与太赫兹波导整合在一起。太赫兹波在波导中进行传播，外加电压影响石墨烯对太赫兹的吸收，外加调制电压范围为-50到50 ，从而调制太赫兹的通过率。光学泵浦照射在石墨烯材料上，实现对THz信号的放大。
图1中，101为泵浦光，波长为1550
Figure 829443DEST_PATH_IMAGE003
左右；紧邻的两层石墨烯之间使用绝缘介质进行电学隔离；波导芯层在THz波段吸收系数；衬底在THz波段的折射率大于波导芯层在THz波段的折射率，厚度大于三倍波导芯层的厚度。
以所述调制放大器总共使用两层石墨烯材料进行说明。附图2为不加电压，两层石墨烯能带示意图，附图3为加偏置电压后，两层石墨烯能带图。附图2和附图3中，201为石墨烯；202为绝缘介质；203为费米能级，费米能级处于狄拉克点。附图4为 THz调制示意图，301为入射的连续THz波；302为本发明所涉及的调制放大器；303为调制信号；304为经过调制后的THz波。两个欧姆接触电极分别制作在石墨烯材料上，用来加载调制电信号303。连续THz波301入射进入波导后，将在波导中激励出THz模式，通过调整波导参数，可以使得THz模在上下两层石墨烯处分布较强。
两个欧姆接触电极不加电压时，两层石墨烯，费米能级
Figure 2013101203051100002DEST_PATH_IMAGE005
均位于狄拉克点，费米能级为零。其能带如附图2所示，石墨烯不吸收入射的THz波，THz波仅在传输过程中，将在波导芯层中产生传输损耗。由于THz频段存在输出功率小的问题，信号功率损失将加大对THz波的检测难度，采用光学通信频段波长为1550nm附近光波泵浦上下两层石墨烯，将可以放大在波导结构中传输的THz信号。
当两个欧姆接触电极加上电压且不开启泵浦光101时，上下两层石墨烯中，其中一层石墨烯费米能级进入导带，另外一层石墨烯费米能级落入价带，石墨烯能带图如附图3所示。通过调节电压，使得
Figure 357693DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 2013101203051100002DEST_PATH_IMAGE007
代表入射的THz光子能量，
Figure 338156DEST_PATH_IMAGE008
=h/2π，h为普朗克常量，当THz信号进入波导后，将发生带内吸收，出射的THz信号由于石墨烯的吸收得到了衰减。通过对欧姆接触电极加压，对泵浦光开启关闭，我们实现了对入射THz波的放大和衰减，同时完成了对THz波信号的调制，调制效果，如附图4所示。
所述调制放大器具有如下特点：（1）提出基于石墨烯材料的波导结构，结构新颖；（2）提出将调制器和放大器集成在同一个器件上，可在实现对太赫兹波高速宽带深度调制的同时，实现对太赫兹波的放大，而目前已有的调制器均对调制信号有所衰减；（3）器件结构简单，按需设计，仅需通过改变波导参数，便可实现对整个太赫兹频段的调制，波导结构的引入也可以改善THz波的模式。（4）器件易于集成，可与THz信号源固态量子级联太赫兹激光器集成以及所用泵浦光通信频段波长1550nm激光器集成。基于石墨烯材料的THz调制放大器，其调制机理决定了调制为宽带调制，调制速率理论上受到石墨烯中载流子寿命限制，可达GHz量级。 

Claims (4)

1.一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于包括衬底（1）、波导芯层（2）、两个欧姆接触电极（3）、石墨烯层（4）和绝缘介质层（5），所述波导芯层（2）位于所述衬底（1）上表面的中部，所述波导芯层（2）的上面和左右侧面设有两个以上石墨烯层（4），每相邻的两个石墨烯层（4）之间使用绝缘介质层（5）进行电学隔离，两个欧姆接触电极（3）位于所述波导芯层（2）左右两侧的衬底（1）上，最上层石墨烯层和最下层石墨烯层分别与一个欧姆接触电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于所述绝波导芯层（2）在THz波段的吸收系数                                               
Figure 2013101203051100001DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于衬底（1）在THz波段的折射率大于波导芯层（2）在THz波段的折射率，衬底（1）的厚度大于三倍波导芯层（2）的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于所述衬底（1）为二氧化硅，所述波导芯层（2）为硅，所述绝缘介质层（5）为氧化铝。
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