CN104103883A - 基于石墨烯的波导路径选择器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于石墨烯的波导路径选择器，包括选择器本体，该选择器整体呈一长方体，且该选择器主要由石墨烯材料制成的石墨烯层，半导体材料制成的连续涂层和间断凹槽层，以及非导电材料制成的基片层、正阶梯体、填充层和凹阶梯体组成。本发明利用了石墨烯所具有的电压可调特性来构建一个波导路径选择器，这样能够通过不断改变电压从而控制SPP波在石墨烯上不同区域的导通与断开，进而实现波导路径选择。此外，本发明还利用了石墨烯的电导率的虚部大于零时会表现出金属性，且电磁波进入后不会产生较大衰减的特性，使得SPP波在波导路径选择器中传播的距离相对较远。

Description

基于石墨烯的波导路径选择器

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的波导路径选择器。

背景技术

目前大部分波导(如矩形波导、圆波导或介质波导等)均是单路径地传输。若想要获得多路径的选择传输，则必须在选时进行物理结构上改变方可实现，这样就非常的不方便，而且也不容易实现。此外，SPP波(表面等离子波)只能在显金属性的材料中传播，对于导体，其金属性虽然比较的好，但电磁波一旦进入其中就会由于趋肤效应急剧衰减，致使电磁波在导体中传播距离十分有限。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯具有很多优良特性，近年随着它的成功制取，吸引了众多的科学家与工程师的研究兴趣。由于其具有电压可调特性，使得在一定的电压条件下导通或截止SPP波(表面等离子波)。若能够利用该特点，不断改变电压从而实现石墨烯不同区域SPP波的导通与断开，则能够实现波导路径选择。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有波导要获得多路径的选择传输，必须在选时进行物理结构上改变方可实现的不足，提供一种基于石墨烯的波导路径选择器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于石墨烯的波导路径选择器，包括选择器本体，该选择器整体呈一长方体，且该选择器主要由石墨烯材料制成的石墨烯层，半导体材料制成的连续涂层和间断凹槽层，以及非导电材料制成的基片层、正阶梯体、填充层和凹阶梯体组成。

基片层为长方体结构。石墨烯层覆在该基片层的上表面。

正阶梯体为正阶梯结构。即正阶梯体的上表面为水平面，正阶梯体的下表面为阶梯面，正阶梯体的左侧面和右侧面均为垂直面。上述正阶梯体的阶梯延伸方向与基片层的长度方向一致，且正阶梯体的长度等于基片层的长度。正阶梯体的宽度小于基片层的宽度。正阶梯体设置在基片层的下方，且正阶梯体的上表面与基片层的下表面相贴。

连续涂层连续式地覆在正阶梯体的整个下表面上，即阶梯面的每级台阶的表面和连接每两级台阶的立面上均覆有连续涂层。

凹阶梯体为内陷阶梯结构。即凹阶梯体的上表面为一个阶梯形凹槽面，该阶梯形凹槽面由多级凹槽所组成，每级凹槽对应于正阶梯体阶梯面的一级台阶，且凹槽每级凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹阶梯体的下表面为水平面，凹阶梯体的左侧面和右侧面均为垂直面。上述凹阶梯体的阶梯延伸方向与基片层的长度方向一致，且凹阶梯体的长度等于基片层的长度。凹阶梯体的宽度等于基片层的宽度。凹阶梯体置于在正阶梯体的下方，且凹阶梯体与正阶梯体之间存在一定的间隙。

间断凹槽层间断式地覆在凹阶梯体的上表面上，即仅在阶梯形凹槽的每级凹槽的表面覆有间断凹槽层。

填充层填充在间断凹槽层与正阶梯体之间的间隙处，以及填充在间断凹槽层与基片层之间的间隙处。

上述方案中，所述正阶梯体可以设置在基片层的下方的中部。即正阶梯体的左侧面与基片层的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体的右侧面与基片层的右侧面在水平方向上也存在一定的距离。此时，凹阶梯体的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈凹字形。

上述方案中，所述正阶梯体设置在基片层的下方的正中部，即正阶梯体的宽度中心线与基片层的宽度中心线垂直相对，即这2条宽度中心线处于同一垂直平面上。

上述方案中，所述正阶梯体的宽度最好等于基片层的宽度的1/3。

上述方案中，所述正阶梯体也可以设置在基片层的下方的一侧。即正阶梯体的左侧面与基片层的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体的右侧面与基片层的右侧面水平相对。或者阶梯层的左侧面与基片层的左侧面水平相对，正阶梯体的右侧面与基片层的右侧面在水平方向上存在一定的距离。此时，凹阶梯体的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈L形。

上述方案中，所述连续涂层和间断凹槽层最好均为硅。

上述方案中，所述基片层、正阶梯体、填充层和凹阶梯体均为氧化铝。

上述方案中，所述正阶梯体的台阶级数和凹槽的级数最好设为5级。

与现有技术相比，本发明利用了石墨烯所具有的电压可调特性来构建一个波导路径选择器，这样能够通过不断改变电压从而控制SPP波在石墨烯上不同区域的导通与断开，进而实现波导路径选择。此外，本发明还利用了石墨烯的电导率(σ＝σ′-jσ″)的虚部σ″大于零时会表现出金属性，且电磁波进入后不会产生较大衰减的特性，使得SPP波在波导路径选择器中传播的距离相对较远。

附图说明

图1为基于石墨烯的波导路径选择器的主视立体图。

图2为图1的简化左侧图(为视图清晰，本图仅画出一个间断凹槽层)。

图3为图1的俯视立体图。

图4为电导率虚部与电场强度的关系图。

图中标号：1、石墨烯层；2、基片层；3、正阶梯体；4、填充层；5、凹阶梯体；6、连续涂层；7、间断凹槽层。

具体实施方式

一种基于石墨烯的波导路径选择器，如图1所示，包括选择器本体，该选择器整体呈一长方体，其主要由石墨烯材料制成的石墨烯层1，半导体材料制成的连续涂层6和间断凹槽层7，以及非导电材料制成的基片层2、正阶梯体3、填充层4和凹阶梯体5组成。在本发明优选实施例中，所述连续涂层6和间断凹槽层7均为硅。所述基片层2、正阶梯体3、填充层4和凹阶梯体5为氧化铝。

基片层2为长方体结构。石墨烯层1覆在该基片层2的上表面。正阶梯体3为正阶梯结构。即正阶梯体3的上表面为水平面，正阶梯体3的下表面为阶梯面，正阶梯体3的左侧面和右侧面均为垂直面。上述正阶梯体3的阶梯延伸方向与基片层2的长度方向一致，且正阶梯体3的长度等于基片层2的长度。正阶梯体3的宽度小于基片层2的宽度。正阶梯体3设置在基片层2的下方，且正阶梯体3的上表面与基片层2的下表面相贴。连续涂层6连续式地覆在正阶梯体3的整个下表面上，即阶梯面的每级台阶的表面和连接每两级台阶的立面上均覆有连续涂层6，此时连续涂层6在阶梯延伸方向上始终连续不断。凹阶梯体5为内陷阶梯结构。即凹阶梯体5的上表面为一个阶梯形凹槽面，该阶梯形凹槽面由多级凹槽所组成，每级凹槽对应于正阶梯体3阶梯面的一级台阶，且凹槽每级凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹阶梯体5的下表面为水平面，凹阶梯体5的左侧面和右侧面均为垂直面。上述凹阶梯体5的阶梯延伸方向与基片层2的长度方向一致，且凹阶梯体5的长度等于基片层2的长度。凹阶梯体5的宽度等于基片层2的宽度。凹阶梯体5置于在正阶梯体3的下方。且凹阶梯体5与正阶梯体3之间存在一定的间隙。间断凹槽层7间断式地覆在凹阶梯体5的上表面上，即仅在阶梯形凹槽的每级凹槽的表面覆有间断凹槽层7，而连接每两级凹槽的立面上则无需覆间断凹槽层7，此时间断凹槽层7在阶梯延伸方向上呈间断分布，并互不连接。填充层4填充在间断凹槽层7与正阶梯体3之间的间隙处，以及填充在间断凹槽层7与基片层2之间的间隙处。

正阶梯体3的台阶级数和凹槽的级数决定了路径选择的路数，因此可以根据设计所需的路径旋转数来设置正阶梯体3的台阶级数和凹槽的级数。在本发明有限实施例中，正阶梯体3的台阶级数和凹槽的级数设为5级。

所述正阶梯体3在基片层2下方的横向方向的设置方式可以采用如下两种：

第一种设置方式是让正阶梯体3设置在基片层2的下方的一侧。即正阶梯体3的左侧面与基片层2的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体3的右侧面与基片层2的右侧面水平相对。或者阶梯层的左侧面与基片层2的左侧面水平相对，正阶梯体3的右侧面与基片层2的右侧面在水平方向上存在一定的距离。此时，凹阶梯体5的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈L形。

第二种设置方式是让正阶梯体3设置在基片层2的下方的中部。即正阶梯体3的左侧面与基片层2的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体3的右侧面与基片层2的右侧面在水平方向上也存在一定的距离。此时，凹阶梯体5的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈凹字形。当然正阶梯体3设置在基片层2的下方的近似中部，即正阶梯体3的宽度中心线与基片层2的宽度中心线相偏离；但在本发明优选实施例中，所述正阶梯体3设置在基片层2的下方的正中部，即正阶梯体3的宽度中心线与基片层2的宽度中心线垂直相对，即这2条宽度中心线处于同一垂直平面上。

本发明对于正阶梯体3的宽度并没有严格的要求，而只需要保证正阶梯体3的宽度小于基片层2的宽度即可，其正阶梯体3的宽度可以恰好等于基片层2的宽度的1/2、1/3或其他任意比例值。而当正阶梯体3采用第一种方式设置在基片层2下方(即让正阶梯体3设置在基片层2的下方的一侧)时，则可以让正阶梯体3的宽度恰好等于基片层2的宽度的1/2；而当正阶梯体3采用第二种方式设置在基片层2下方(即让正阶梯体3设置在基片层2的下方的正中部)时，则可以让正阶梯体3的宽度恰好等于基片层2的宽度的1/3。

在本发明中，每级凹槽所对应的每级阶梯平面(即台阶表面)均处于该凹槽的槽沟中，凹槽与阶梯面都与上表面间加了电压，但凹阶梯体5与正阶梯体3之间的间隙并没有严格的限制。对于凹阶梯体5与正阶梯体3的距离，即每级凹槽的槽沟与每级台阶的表面之间的垂直距离h可以任意选定。如第一级凹槽的槽沟与第一级台阶的表面之间的垂直距离h与第二级凹槽的槽沟与第二级台阶的表面之间的垂直距离h可以相等也可以不相等。但在本发明优选实施例中，所有凹槽的槽沟与其所对应的台阶的表面之间的垂直距离h均相等。此外，对于凹阶梯体5与基片之间的距离，即每级凹槽的一侧上表面与基片呈底面之间的垂直距离h1和每级凹槽的另一侧上表面与基片呈底面之间的垂直距离h2可以相等也可以不相等。当h1＝h2时，SPP波可以向该凹槽的两边同时传导。当h1≠h2时，SPP波将向该凹槽的h1和h2中较小的一边传导。如图3。但在在本发明优选实施例中，为了保证波导的单向传输，所述每级凹槽的一侧上表面与基片呈底面之间的垂直距离h1和每级凹槽的另一侧上表面与基片呈底面之间的垂直距离h2不相等，即h1＜h2，如图2。

对于正阶梯体3的每级台阶的台阶宽度来说，本发明并不要求每级台阶的台阶宽度均一致，但在本发明优选实施例中，每级台阶的台阶宽度均一致，即每级台阶的面积均相同。对于凹阶梯体5的每级凹槽的槽沟宽度来说，本发明并不要求每级凹槽的槽沟宽度均一致，但在本发明优选实施例中，每级凹槽的槽沟宽度均一致，即每级凹槽的槽沟的面积均相同。参见图3，将基片上表面划分多块虚拟区域即，正阶梯体3的每级台阶的a-e面均正对着图3所划分的Y1-Y5区域，且各台阶面积与其所对应的区域面积相等，即a的面积等于1的面积，且a正对1，其他的面以此类推。a-e面的正对着凹槽的槽沟x1至x5，但各凹槽间相互不连接，各凹槽的槽沟面大于与其所对应的阶梯下表面区域面积，即x1的面积大于a的面积，且x1正对a，其他的面以此类推。

由于石墨烯的电导率虚部受化学势μ_c影响，而化学势μ_c又受到电场强度控制，两电容极板之间的电场强度又与两极板上加的电压相关，所以石墨烯的电导率虚部就与外加电压有关，当改变外加电压使其电导率的虚部(σ″)小于零时，石墨烯就表现为非金属性，SPP波就不能在其上面传输；当调节电压使其上面的电导率虚部(σ″)大于零，即等效介电常数实部(ε′)小于零的时候，石墨烯就表现为金属性，SPP波就可以在上面传输。此时就可以根据石墨烯这样的特性，在不同时刻调节石墨烯不同区域的电压来影响其电导率的正负，进而就可以对其表面传播的SPP波路径进行选择。

参见图2，将一偏置电压U₁的负极加在石墨烯层1上，正极加在间断凹槽层7上；将另一偏置电压U₂的负极加在石墨烯层1上，正极加在正阶梯体3的连续涂层6上。改变偏置电压使SPP波从Y1往Y5区域方向传输，但同时也要求可以使波传输到1到5的任意一个区域后，其后面的区域就会截止，波不能再继续传输。接下来就是波导路径的选择，Y6至Y10区域是五个不同的波导路径，所设计的装置可以使波从Y6至Y10区域中任意的一个路径传输，而不会同时从其他的路径传输，而传输路径的改变仅仅通过调节其区域的电压值实现，这就实现了波导路径的选择。

为了实现SPP波从Y1往Y5方向传输，但同时也要求可以使波传输到Y1到Y5的任意一个区域后，其后面的区域就会截止，波不能再往后边的区域传输这一性能，在Y1至Y5中间的那部分区域，对应的氧化铝基片层2下面设计一个正阶梯体3，正阶梯体3的下表面涂覆硅涂层即连续涂层6，从左边看过去的图形，如图3所示。上表面石墨烯的中间Y1到Y5区域，下面都一一对应着一个阶梯层，且每一个阶梯平面与对应的Y1到Y5区域面积相等。由于氧化铝基底上表面的石墨烯的导电性比较好，氧化铝不导电，其下面的硅为半导体，可以导电。这里在石墨烯上接负极，阶梯硅接上正极，则硅阶梯与石墨烯(区域Y1到Y5)之间就会形成静电场，阶梯面从a到e，依次下降，故阶梯面与上表面的距离依次增大，由于各阶梯面与上表面间所加的电压是相同的，所以阶梯面由a到e与上表面间的电场强度也就依次减小，图4中的纵坐标表示电导率的虚部，横坐标E为电场强度，由图看出石墨烯电导率的虚部与电场强度间的关系近似成正比关系，这样就可以做到调节在阶梯面上所加的电压使石墨烯平面上第n区域及n之前区域的电导率虚部大于零，而其后面的电导率虚部由于场强减小而小于零，呈非金属性，不能导通SPP波。

为了实现从Y6至Y10的5个不同的传输路径中选择从所需的传输路径中传输，则a至e的每个区域下面都加有一个凹槽，由于凹槽间不相互连接，因此在所想要传输路径处的凹槽与上表面石墨烯间加上电压，又由于h1＜h2,所以同样也可以调节电压使图3中所要传输路径处凹槽一侧上方的石墨烯区域电导率虚部恰好大于零，而另一侧的电导率还小于零，这样SPP波就向设计的一侧传输，而不会向两侧同时传输。当需要改变传输路径时，仅需断开上一个传输路径处的电压，转到下一个所要传输的路径上加适当的电压即可，以此很好地切换波的传输路径，从而实现良好性能的压控波导路径选择器。

Claims (8)

1.基于石墨烯的波导路径选择器，包括选择器本体，其特征在于：该选择器整体呈一长方体，且该选择器主要由石墨烯材料制成的石墨烯层(1)，半导体材料制成的连续涂层(6)和间断凹槽层(7)，以及非导电材料制成的基片层(2)、正阶梯体(3)、填充层(4)和凹阶梯体(5)组成；

基片层(2)为长方体结构；石墨烯层(1)覆在该基片层(2)的上表面；

正阶梯体(3)为正阶梯结构；即正阶梯体(3)的上表面为水平面，正阶梯体(3)的下表面为阶梯面，正阶梯体(3)的左侧面和右侧面均为垂直面；上述正阶梯体(3)的阶梯延伸方向与基片层(2)的长度方向一致，且正阶梯体(3)的长度等于基片层(2)的长度；正阶梯体(3)的宽度小于基片层(2)的宽度；正阶梯体(3)设置在基片层(2)的下方，且正阶梯体(3)的上表面与基片层(2)的下表面相贴；

连续涂层(6)连续式地覆在正阶梯体(3)的整个下表面上，即阶梯面的每级台阶的表面和连接每两级台阶的立面上均覆有连续涂层(6)；

凹阶梯体(5)为内陷阶梯结构；即凹阶梯体(5)的上表面为一个阶梯形凹槽面，该阶梯形凹槽面由多级凹槽所组成，每级凹槽对应于正阶梯体(3)阶梯面的一级台阶，且凹槽每级凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹阶梯体(5)的下表面为水平面，凹阶梯体(5)的左侧面和右侧面均为垂直面；上述凹阶梯体(5)的阶梯延伸方向与基片层(2)的长度方向一致，且凹阶梯体(5)的长度等于基片层(2)的长度；凹阶梯体(5)的宽度等于基片层(2)的宽度；凹阶梯体(5)置于在正阶梯体(3)的下方，且凹阶梯体(5)与正阶梯体(3)之间存在一定的间隙；

间断凹槽层(7)间断式地覆在凹阶梯体(5)的上表面上，即仅在阶梯形凹槽的每级凹槽的表面覆有间断凹槽层(7)；

填充层(4)填充在间断凹槽层(7)与正阶梯体(3)之间的间隙处，以及填充在间断凹槽层(7)与基片层(2)之间的间隙处。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述正阶梯体(3)设置在基片层(2)的下方的中部；即正阶梯体(3)的左侧面与基片层(2)的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体(3)的右侧面与基片层(2)的右侧面在水平方向上也存在一定的距离；此时，凹阶梯体(5)的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈凹字形。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述正阶梯体(3)设置在基片层(2)的下方的正中部，即正阶梯体(3)的宽度中心线与基片层(2)的宽度中心线垂直相对，即这2条宽度中心线处于同一垂直平面上。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述正阶梯体(3)的宽度等于基片层(2)的宽度的1/3。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述正阶梯体(3)设置在基片层(2)的下方的一侧；即正阶梯体(3)的左侧面与基片层(2)的左侧面在水平方向上存在一定的距离，正阶梯体(3)的右侧面与基片层(2)的右侧面水平相对；或者阶梯层的左侧面与基片层(2)的左侧面水平相对，正阶梯体(3)的右侧面与基片层(2)的右侧面在水平方向上存在一定的距离；此时，凹阶梯体(5)的阶梯形凹槽的每级凹槽均呈L形。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述连续涂层(6)和间断凹槽层(7)为硅。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述基片层(2)、正阶梯体(3)、填充层(4)和凹阶梯体(5)为氧化铝。

8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的波导路径选择器，其特征在于：所述正阶梯体(3)的台阶级数和凹槽的级数设为5级。