CN104485501A - 石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器。它包括石墨烯波导层、二氧化硅层、P型硅长方体块、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、左上弯曲石墨烯耦合片、右上弯曲石墨烯耦合片、左下弯曲石墨烯耦合片、右下弯曲石墨烯耦合片、上石墨烯耦合片、下石墨烯耦合片；太赫兹波信号从信号输入端输入，通过调节施加在石墨烯波导层与P型硅长方体块的偏置直流电压，调节石墨烯的化学势能与模式有效折射率进而转换耦合模式，从而实现太赫兹波分别从第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端的输出切换。本发明具有结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，耦合效率高，损耗低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹耦合器，尤其涉及一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器。
背景技术
太赫兹（1THz＝1012Hz）技术是20世纪80年代末发展起来的一种高新技术，近年来颇受关注，它在基础研究、工业应用、生物医学等领域有相当重要的应用前景。
太赫兹辐射在19世纪已经为人们所认识，但是由于没有稳定的辐射源和探测器，对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时，发现了砷化镓光电导探测效应，有关结果在美国权威杂志《科学》上发表，引发了科学界的广泛关注，成为21世纪的热门课题。在太赫兹系统实际应用中，往往需将一路太赫兹信号功率按比例分成几路，或者转换到另一个端口输出，这就是功率分配问题。实现这一功能的元件之一即是耦合器。当前国内外研究的并提出过的太赫兹波耦合器结构很少，已有的耦合器结构往往很复杂，而且在实际制作过程中困难重重，成本较高，对加工工艺和加工环境要求也高。所以迫切需要提出结构简单、尺寸小、便于加工制作的太赫兹波耦合器来支撑太赫兹波应用领域的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器。
石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器包括石墨烯波导层、二氧化硅层、P型硅长方体块、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、左上弯曲石墨烯耦合片、右上弯曲石墨烯耦合片、左下弯曲石墨烯耦合片、右下弯曲石墨烯耦合片、上石墨烯耦合片、下石墨烯耦合片；二氧化硅层的内部嵌入有P型硅长方体块，P型硅长方体块的底部与二氧化硅层的底部共面，石墨烯波导层位于二氧化硅层的上表面几何中心处，石墨烯波导层由左上弯曲石墨烯耦合片、右上弯曲石墨烯耦合片、左下弯曲石墨烯耦合片、右下弯曲石墨烯耦合片、上石墨烯耦合片、下石墨烯耦合片组成；其中左上弯曲石墨烯耦合片的左前端设有信号输入端，右上弯曲石墨烯耦合片的右前端设有第一信号输出端，左下弯曲石墨烯耦合片的左后端设有第三信号输出端，右下弯曲石墨烯耦合片的右后端设有第二信号输出端，左上弯曲石墨烯耦合片的左前端与二氧化硅层的左上端部相连，左上弯曲石墨烯耦合片的右端部与上石墨烯耦合片的左端部相连，上石墨烯耦合片的右端部与右上弯曲石墨烯耦合片的左端部相连，右上弯曲石墨烯耦合片的右前端与二氧化硅层的右上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片的左后端与二氧化硅层的左上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片的右端部与下石墨烯耦合片的左端部相连，下石墨烯耦合片的俯视图投影落在P型硅长方体块的上表面，下石墨烯耦合片的右端部与右下弯曲石墨烯耦合片的左端部相连，右下弯曲石墨烯耦合片的右后端与二氧化硅层的右上端部相连，太赫兹波信号从信号输入端输入，通过调节施加在石墨烯波导层与P型硅长方体块的偏置直流电压，调节石墨烯的化学势能与模式有效折射率进而转换耦合模式，从而实现太赫兹波分别从第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端的输出切换。
所述的石墨烯波导层为单层石墨烯片材料。所述的左上弯曲石墨烯耦合片、右上弯曲石墨烯耦合片、左下弯曲石墨烯耦合片、右下弯曲石墨烯耦合片的大小尺寸均相同，均由八个矩形石墨烯波导与八个石墨烯圆弧波导依次间隔排列而成，其中矩形石墨烯波导的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，石墨烯圆弧波导的外圆半径为28.6μm～28.8μm，内圆半径为28.5μm～28.7μm，内圆的圆形角为3.5°～3.7°，上石墨烯耦合片、下石墨烯耦合片的大小尺寸均相同，均由十个竖矩形石墨烯波导，九个横矩形石墨烯波导依次间隔排列而成，其中竖矩形石墨烯波导的的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，横矩形石墨烯波导的长度为1.9μm～2.1μm，宽度为0.4μm～0.6μm，上石墨烯耦合片的竖矩形石墨烯波导与下石墨烯耦合片的竖矩形石墨烯波导距离为0.07μm～0.09μm。所述的二氧化硅层的长度为58.0μm～58.2μm，宽度为31.7μm～31.9μm，厚度为500μm～700μm。所述的P型硅长方体块的长度为17μm～19μm，宽度为4.0μm～4.2μm，厚度为200μm～400μm。
本发明具有结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，耦合效率高，损耗低等优点。
附图说明
图1是石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器的立体结构图；
图2是石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器的截面图；
图3是石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器的左视图；
图4是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0eV时，4THz频点的表面电场强度分布图；
图5是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0.1eV时，4THz频点的表面电场强度分布图；
图6是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0.2eV时，4THz频点的表面电场强度分布图；
图7是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0eV时的性能曲线图；
图8是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0.1eV时的性能曲线图；
图9是耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0.2eV时的性能曲线图。
具体实施方式
如图1～3所示，石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器包括石墨烯波导层1、二氧化硅层2、P型硅长方体块3、信号输入端4、第一信号输出端5、第二信号输出端6、第三信号输出端7、左上弯曲石墨烯耦合片8、右上弯曲石墨烯耦合片9、左下弯曲石墨烯耦合片10、右下弯曲石墨烯耦合片11、上石墨烯耦合片12、下石墨烯耦合片13；二氧化硅层2的内部嵌入有P型硅长方体块3，P型硅长方体块3的底部与二氧化硅层2的底部共面，石墨烯波导层1位于二氧化硅层2的上表面几何中心处，石墨烯波导层1由左上弯曲石墨烯耦合片8、右上弯曲石墨烯耦合片9、左下弯曲石墨烯耦合片10、右下弯曲石墨烯耦合片11、上石墨烯耦合片12、下石墨烯耦合片13组成；其中左上弯曲石墨烯耦合片8的左前端设有信号输入端4，右上弯曲石墨烯耦合片9的右前端设有第一信号输出端5，左下弯曲石墨烯耦合片10的左后端设有第三信号输出端7，右下弯曲石墨烯耦合片11的右后端设有第二信号输出端6，左上弯曲石墨烯耦合片8的左前端与二氧化硅层2的左上端部相连，左上弯曲石墨烯耦合片8的右端部与上石墨烯耦合片12的左端部相连，上石墨烯耦合片12的右端部与右上弯曲石墨烯耦合片9的左端部相连，右上弯曲石墨烯耦合片9的右前端与二氧化硅层2的右上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片10的左后端与二氧化硅层2的左上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片10的右端部与下石墨烯耦合片13的左端部相连，下石墨烯耦合片13的俯视图投影落在P型硅长方体块3的上表面，下石墨烯耦合片13的右端部与右下弯曲石墨烯耦合片11的左端部相连，右下弯曲石墨烯耦合片11的右后端与二氧化硅层2的右上端部相连，太赫兹波信号从信号输入端4输入，通过调节施加在石墨烯波导层1与P型硅长方体块3的偏置直流电压，调节石墨烯的化学势能与模式有效折射率进而转换耦合模式，从而实现太赫兹波分别从第一信号输出端5、第二信号输出端6、第三信号输出端7的输出切换。
所述的石墨烯波导层1为单层石墨烯片材料。所述的左上弯曲石墨烯耦合片8、右上弯曲石墨烯耦合片9、左下弯曲石墨烯耦合片10、右下弯曲石墨烯耦合片11的大小尺寸均相同，均由八个矩形石墨烯波导与八个石墨烯圆弧波导依次间隔排列而成，其中矩形石墨烯波导的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，石墨烯圆弧波导的外圆半径为28.6μm～28.8μm，内圆半径为28.5μm～28.7μm，内圆的圆形角为3.5°～3.7°，上石墨烯耦合片12、下石墨烯耦合片13的大小尺寸均相同，均由十个竖矩形石墨烯波导，九个横矩形石墨烯波导依次间隔排列而成，其中竖矩形石墨烯波导的的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，横矩形石墨烯波导的长度为1.9μm～2.1μm，宽度为0.4μm～0.6μm，上石墨烯耦合片12的竖矩形石墨烯波导与下石墨烯耦合片13的竖矩形石墨烯波导距离为0.07μm～0.09μm。所述的二氧化硅层2的长度为58.0μm～58.2μm，宽度为31.7μm～31.9μm，厚度为500μm～700μm。所述的P型硅长方体块3的长度为17μm～19μm，宽度为4.0μm～4.2μm，厚度为200μm～400μm。
实施例1
石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器：
石墨烯波导层为单层石墨烯片材料。左上弯曲石墨烯耦合片、右上弯曲石墨烯耦合片、左下弯曲石墨烯耦合片、右下弯曲石墨烯耦合片的大小尺寸均相同，均由八个矩形石墨烯波导与八个石墨烯圆弧波导依次间隔排列而成，其中矩形石墨烯波导的长度为4.2μm，宽度为0.5μm，石墨烯圆弧波导的外圆半径为28.7μm，内圆半径为28.6μm，内圆的圆形角为3.6°，上石墨烯耦合片、下石墨烯耦合片的大小尺寸均相同，均由十个竖矩形石墨烯波导，九个横矩形石墨烯波导依次间隔排列而成，其中竖矩形石墨烯波导的的长度为4.2μm，宽度为0.5μm，横矩形石墨烯波导的长度为2.0μm，宽度为0.5μm，上石墨烯耦合片的竖矩形石墨烯波导与下石墨烯耦合片的竖矩形石墨烯波导距离为0.08μm。二氧化硅层的长度为58.1μm，宽度为31.8μm，厚度为600μm。P型硅长方体块的长度为18μm，宽度为4.1μm，厚度为300μm。石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试，所得耦合器下在石墨烯耦合片石墨烯的化学势能为0eV时、0.1eV和0.2eV时4THz频点的表面电场强度分布分别如图4、图5和图6所示。由图可见，本耦合器可以调节施加偏置直流电压实现太赫兹波分别从第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端的输出切换。图7、图8、图9所示为耦合器在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能分别为0eV、0.1eV、0.2eV时的性能曲线图，由图可知，此时当在下石墨烯耦合片石墨烯的化学势能分别取0eV、0.1eV、0.2eV时，第二信号输出端、第一信号输出端、第三信号输出端的传输率均在94%以上，实现了良好的耦合输出切换效果。
Claims (5)
1.一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器，其特征在于包括石墨烯波导层（1）、二氧化硅层（2）、P型硅长方体块（3）、信号输入端（4）、第一信号输出端（5）、第二信号输出端（6）、第三信号输出端（7）、左上弯曲石墨烯耦合片（8）、右上弯曲石墨烯耦合片（9）、左下弯曲石墨烯耦合片（10）、右下弯曲石墨烯耦合片（11）、上石墨烯耦合片（12）、下石墨烯耦合片（13）；二氧化硅层（2）的内部嵌入有P型硅长方体块（3），P型硅长方体块（3）的底部与二氧化硅层（2）的底部共面，石墨烯波导层（1）位于二氧化硅层（2）的上表面几何中心处，石墨烯波导层（1）由左上弯曲石墨烯耦合片（8）、右上弯曲石墨烯耦合片（9）、左下弯曲石墨烯耦合片（10）、右下弯曲石墨烯耦合片（11）、上石墨烯耦合片（12）、下石墨烯耦合片（13）组成；其中左上弯曲石墨烯耦合片（8）的左前端设有信号输入端（4），右上弯曲石墨烯耦合片（9）的右前端设有第一信号输出端（5），左下弯曲石墨烯耦合片（10）的左后端设有第三信号输出端（7），右下弯曲石墨烯耦合片（11）的右后端设有第二信号输出端（6），左上弯曲石墨烯耦合片（8）的左前端与二氧化硅层（2）的左上端部相连，左上弯曲石墨烯耦合片（8）的右端部与上石墨烯耦合片（12）的左端部相连，上石墨烯耦合片（12）的右端部与右上弯曲石墨烯耦合片（9）的左端部相连，右上弯曲石墨烯耦合片（9）的右前端与二氧化硅层（2）的右上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片（10）的左后端与二氧化硅层（2）的左上端部相连，左下弯曲石墨烯耦合片（10）的右端部与下石墨烯耦合片（13）的左端部相连，下石墨烯耦合片（13）的俯视图投影落在P型硅长方体块（3）的上表面，下石墨烯耦合片（13）的右端部与右下弯曲石墨烯耦合片（11）的左端部相连，右下弯曲石墨烯耦合片（11）的右后端与二氧化硅层（2）的右上端部相连，太赫兹波信号从信号输入端（4）输入，通过调节施加在石墨烯波导层（1）与P型硅长方体块（3）的偏置直流电压，调节石墨烯的化学势能与模式有效折射率进而转换耦合模式，从而实现太赫兹波分别从第一信号输出端（5）、第二信号输出端（6）、第三信号输出端（7）的输出切换。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器，其特征在于所述的石墨烯波导层（1）为单层石墨烯片材料。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器，其特征在于所述的左上弯曲石墨烯耦合片（8）、右上弯曲石墨烯耦合片（9）、左下弯曲石墨烯耦合片（10）、右下弯曲石墨烯耦合片（11）的大小尺寸均相同，均由八个矩形石墨烯波导与八个石墨烯圆弧波导依次间隔排列而成，其中矩形石墨烯波导的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，石墨烯圆弧波导的外圆半径为28.6μm～28.8μm，内圆半径为28.5μm～28.7μm，内圆的圆形角为3.5°～3.7°，上石墨烯耦合片（12）、下石墨烯耦合片（13）的大小尺寸均相同，均由十个竖矩形石墨烯波导，九个横矩形石墨烯波导依次间隔排列而成，其中竖矩形石墨烯波导的的长度为4.1μm～4.3μm，宽度为0.4μm～0.6μm，横矩形石墨烯波导的长度为1.9μm～2.1μm，宽度为0.4μm～0.6μm，上石墨烯耦合片（12）的竖矩形石墨烯波导与下石墨烯耦合片（13）的竖矩形石墨烯波导距离为0.07μm～0.09μm。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器，其特征在于所述的二氧化硅层（2）的长度为58.0μm～58.2μm，宽度为31.7μm～31.9μm，厚度为500μm～700μm。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯三输出端口结构的可调太赫兹波耦合器，其特征在于所述的P型硅长方体块（3）的长度为17μm～19μm，宽度为4.0μm～4.2μm，厚度为200μm～400μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170125 Termination date: 20171127 |