CN105892102B - 基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种墓于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其结构包括将CVD方法产生的单层石墨烯转移到石英玻璃基板上，并将硅/二氧化硅薄膜覆盖在石墨烯上，其中硅/二氧化硅薄膜的表面积要略小于石英玻璃基板的表面积，且硅/二氧化硅薄膜是二氧化硅朝向石墨烯，而金属电极在未覆盖硅/二氧化硅薄膜的石墨烯上，并在硅基板和金属电极上连接调制信号源，最后载波源垂宜入射硅薄膜。本发明调制器为场调制器的一种，在调制信号电压从0V～50V变化，载波源为0.6THz时，调制深度可以得到81.3％，可以对施加的载波源得到很好的调制。本发明结构简单紧凑、体积小，易于集成，控制简单并且使用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种调制器，具体涉及的是一种基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，属于太赫兹无线通信技术领域。
背景技术
太赫兹(terahertz，THz)波是指频率从100GHz到10THz(波长从3毫米到30微米)，介于毫米波与红外光之间的电磁波，该频段的波具有带宽大、不易被探测和截收以及很强的抗干扰能力等优点，成为目前无线通信领域研究的热点频段之一。目前限制太赫兹无线通信技术发展的主要原因就是缺少能够有效操控太赫兹波的器件，而调制器是太赫兹无线通信的关键器件之一，因此研究高性能的太赫兹波调制器以满足未来太赫兹波技术的应用与发展，成为目前太赫兹领域研究的热点。
太赫兹波调制器性能很大程度决定于材料的选取上，目前石墨烯凭借其独特的载流子特性和优异的电学性能，成为太赫兹波调制器设计的理想材料，利用石墨烯可以实现在室温条件下对宽频太赫兹波的有效调制。
石墨烯是一种碳的同素异形体，由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，具有二维蜂窝状晶格结构，是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体。2004年，Geim和Novoselov等以石墨为原料利用微机械分离法成功制备出单层石墨烯，目前，制备石墨烯的方法还有碳化硅表面外延生长法、化学还原法、化学气相沉积法(CVD)等，其中，使用CVD法制备的石墨烯不仅尺寸能达到几十厘米、质量优异，而且成本低廉，成为当前制备石墨烯的主要方法。
近年来，很多专家学者设计并分析了大量的太赫兹波调制器，如Sensale-Rodriguez B等人设计并制作了基于石墨烯的调制器，通过改变石墨烯电导率的大小，可以控制调制器的屏蔽效应，进而控制穿过该调制器的载波的强度，其调制深度均达到了64％，且具有RC时间短，功率容量大等优点，具有一定的实用性。Liu M，Yin X等人的研究团队设计了基于双层石墨烯的光调制器，该调制器是将石墨烯和硅波导耦合，通过石墨烯来调节硅波导中波束的不同吸收率来实现调制目的，具有体积小，调制器带宽非常高等优点。但该调制器结构复杂，制备较为复杂。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，此调制器有很大的调制深度以及很宽的调制带宽。
为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
本发明包括石英玻璃基板、用CVD方法产生的单层石墨烯、硅和二氧化硅以及一块金属电极。
其结构为：将CVD方法产生的单层石墨烯转移到石英玻璃基板上，并将硅和二氧化硅薄膜覆盖在石墨烯上。
上述硅和二氧化硅薄膜的表面积要略小于石英玻璃基板的表面积。
上述石墨烯上的硅和二氧化硅薄膜是二氧化硅朝向石墨烯。
上述金属电极的位置在未覆盖硅和二氧化硅薄膜的石墨烯上，并在硅基板和金属电极上连接调制信号源。
上述太赫兹波源垂直入射于硅薄膜。
本发明结构非常简单并且紧凑。
附图说明
下面结合附图和具体实施方案来详细说明本发明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明在0V～50V电压下的传输功率比曲线图；
图3为本发明的归一化调制幅度随工作频率的变化特性曲线图。
图1中标号：硅薄膜(1)、二氧化硅薄膜(2)、石英玻璃基板(3)、单层石墨烯(4)、金属电极(5)、调制信号源(7)、载波源(6)。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。
具体实施：
参见图1所示的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器的结构。调制器的石英玻璃基板(3)表而积为1.6x1.5cm，厚度为128um。在石英玻璃基板(3)上覆盖一层单层石墨烯(4)，石墨烯的制备采用的是CVD，使用此方法制备的石墨烯尺寸能达到几十厘米、质量优异。单层石墨烯(4)的上面再覆盖硅和二氧化硅薄膜，其中二氧化硅薄膜(2)朝向单层石墨烯(4)，二氧化硅薄膜(2)的表面积是1.5x1.5cm，厚度为300nm。而硅薄膜(1)在二氧化硅薄膜(2)的上面，其表面积为1.5x1.5cm，厚度为100nm。而在现有技术基础上，硅和二氧化硅薄膜的厚度能够达到几百甚至几十纳米的厚度，因此本发明使用的硅和二氧化硅薄膜的厚度完全可以实现加工。在硅薄膜(1)和金属电极(5)连接调制信号源(7)。而载波源(6)将垂直入射于硅薄膜(1)。其中调制信号源(7)的电压范围为0V～50V，载波源(6)的频率为0.6THz，属于太赫兹频段。
以下对本发明的工作原理进行详细的介绍：
本发明最主要的就是采用了石墨烯代替传统材料对太赫兹波调制器进行的设计。石墨烯的电导率在微波与太赫兹频段是一个各向异性的张量，而受到电场偏置的影响，用简化的九保公式分析了石墨烯的电导率，其电导率是各向同性的，偏置电场通过改变石墨烯的化学势实现对石墨烯电导率的调控，以此达到石墨烯电场调制的效果，本发明即根据此性质进行设计。
本发明首先利用传输线上电压、电流的等效模型和石墨烯各向同性的电导率模型，建立了自由空间石墨烯的等效电路。然后利用此等效电路，并结合经典的均匀介质平行平板波导的等效电路模型，分析了基于石英玻璃基板(3)上的石墨烯的等效电路。然后利用传输线阻抗变换关系，进一步简化此等效电路。最后，通过经典的传输线矩阵方程，得到本发明的仿真效果图，如图2、图3所示。
图2是本发明的传输功率比与频率的关系曲线图。根据传输线矩阵的计算可以得到本发明传输功率比随频率变化的曲线图。从中可以得出，施加不同的调制电压，本发明的传输功率比是不同的，即本发明可以通过电压来调节其传输功率以此达到对载波源(6)的调制作用。经计算，调制深度
达到了实际应用的要求。
图3是本发明的归一化调制幅度随工作频率的变化特性曲线图，纵坐标A是归一化的调制幅度，单位为dB，其3dB带宽约为55.5KHz，具有很宽的带宽，完全满足于太赫兹无线通信对带宽的要求。
Claims (7)
1.基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其结构为：石英玻璃基(3)上表面覆盖一层单层石墨烯(4)，在石墨烯层上覆盖一层二氧化硅薄膜(2)，继续在二氧化硅薄膜上叠加一层硅薄膜(1)，且硅层为调制器的入射端口，在未覆盖硅和二氧化硅薄膜的单层石墨烯(4)上放置金属电极(5)，并在硅薄膜(1)和金属电极(5)上施加调制信号，调制信号源(7)垂直入射硅薄膜层(1)，载波源(6)的频率为0.6THz。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：将用CVD方法产生的单层石墨烯(4)转移到石英玻璃基板(3)上，并将硅和二氧化硅薄膜覆盖在单层石墨烯(4)上。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：硅和二氧化硅薄膜是二氧化硅薄膜(2)朝向单层石墨烯(4)，硅薄膜(1)在二氧化硅薄膜(2)之上。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：硅和二氧化硅薄膜的表面积相同，而厚度不同。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：硅薄膜(1)的尺寸为：长和宽均为1.5cm，高度为100nm；二氧化硅薄膜(2)的尺寸为：长和宽均为1.5cm，高度为300nm。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：单层石墨烯(4)的面积与石英玻璃基板(3)的表面积相同。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的太赫兹波透射型调制器，其特征在于：硅和二氧化硅薄膜的表面积略小于单层石墨烯(4)和石英玻璃基板(3)的表面积。
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