CN105892105B - 基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹技术领域使用的调制器，涉及石墨烯材料和表面等离子体波技术。石墨烯上的等离子体波具有较小的衰减同时表面波被紧密的束缚在石墨烯片附近。由于石墨烯线性的能带结构可以通过调节对石墨烯的电压偏置来改变石墨烯的电导率，从而改变石墨烯上表面等离子体波的传输衰减。本专利采用3条石墨烯条带结构，利用调制信号的不同高低电压来实现调制功能，通过对RC时延参数的计算估算得到本调制器的调制带宽为45MHz。本调制器具有平面结构，体积较小，易于和电路集成的优点。

Description

基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域使用的调制器，特别涉及到石墨烯波导结构和表面等离子体波技术。
背景技术
太赫兹波是指评论在0.1-10THz(波长为3mm-30μm)范围内的电磁波，这一领域介于微波和光波之间。太赫兹波具有有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。目前太赫兹调制器相应产品并不太成熟，所以对太赫兹调制器的研究就更加显得重要。制作研究具有体积小，频率高，且能够良好的控制太赫兹信号成为了太赫兹调制器的关键。
石墨烯(Graphene)是一种只有一个碳原子厚度的二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格。近年来随着石墨烯制备技术的不断发展，较大尺度的石墨烯薄片已经被成功制作出来，使得石墨烯在各个频段的应用成为可能。石墨烯具有连续的能带结构，通过添加偏置电场以后可以改变石墨烯的化学势，从而改变石墨烯的电导率。研究人员针对石墨烯的表面等离子体波(SPPs)展开过许多研究。相对于一般材料，石墨烯具有十分明显的优势。首先石墨烯上的表面等离子体波的能量都被束缚在石墨烯表面；第二，石墨烯的介电常数可通过化学参杂和改变偏置电压来改变，易于调控。最近研究表明石墨烯上的SPP能够传播毫米级的距离，这对基于SPPs器件的设计提供了理论基础。
基于太赫兹表面等离子体波的调制器具有体积微小，结构简单、方便控制、易于和平面器件集成的特点。避免了使用某些材料必须构造若干微纳米结构才能工作于某些波段和频带范围窄的问题；可以很简单的通过改变不同石墨烯条带的偏置电压控制调制器状态，实现简单；同时条带状石墨烯更易设计和加工，降低了设计仿真过程中建模难度和加工、制作和测试的复杂度。
发明内容
本发明设计了可应用于太赫兹通信的调制器。太赫兹波在设计的波导结构器件中传输，对该调制器添加调制信号，即可在输出端完成对信号的调制功能。
只要对该调制器添加一定值的偏置电压，信号在石墨烯上传输衰减极大，可认为不能传输，如果对该调制器不加任何偏置电压，该调制器中都的信号就可以传输。该种太赫兹调制器和传统的调制器相比具有调制深度深、工作带宽宽、易于集成的优良特性，满足了器件小型化的要求，可以广泛地应用于太赫兹通信系统中。
实现本发明的技术解决方案是：
利用电场偏置对石墨烯化学势的调节作用，使得在不同的偏置电压下石墨烯上的等离子体波具有不同的传输衰减。在低电场偏置电压下本调制器具有较小的传输衰减，而在高电压偏置的情况下本调制上的表面等离子体波具有很大的传输衰减。利用石墨烯的该特性使表面等离子体波在石墨烯上传输一段距离L后，在本调制器的输出端在低电压偏置下就可以接收到信号；而在高电压偏置的情况下由于高衰减，在输出端无信号的输出。通过以上的基本原理就可以完成对太赫兹波的调制功能。
为了得到较快的反应时间和简化制作工艺，本专利采用聚乙烯材料(Polythene)作为支撑介质，将3条石墨烯带放入到聚乙烯材料内以到达调制的效果。
其结构为：使用聚乙烯材料作为载体介质来放置3条石墨烯带。其中输入、输出石墨烯带位于同一平面内，而1条耦合臂石墨烯带位于输入、输出石墨烯带的上方。耦合臂石墨烯带上添加一块金属作为电极，另外在聚乙烯的上面上贴有金属贴片为另一个电极。这样由于绝缘体聚乙烯材料的阻隔石墨烯就和金属贴片形成一个类似平行板电容的结构。这3条石墨烯带统一使用化学掺杂的方法使其化学势为0.15e V。
在上述的两个电极之间添加适当大小的偏置电压，在高电压偏置时源驱动电子由石墨烯流向电极从而减少其导带内的电子，使得石墨烯具有一个较小的化学势，其值大小由偏置电压大小决定。当不加偏置电压时石墨烯表现出一种类似金属薄膜的特性可以支持表面等离子体波的传输；而加电压偏置时石墨烯上几乎无载流子，对表面等离子体波的传输衰减非常大。
本发明基于石墨烯表面等离子体波调制器的主要优点：
1、具有较高的调制深度；
2、具有较宽的工作带宽；
3、体积较小、易于集成。
附图说明
图1为本专利基于石墨烯表面等离子体波调制器的结构图；
图2为本专利基于石墨烯表面等离子体波调制器的电场理论模拟仿真图；
图3为本专利基于石墨烯表面等离子体波调制器的调制深度图。
图4为本专利基于石墨烯表面等离子体波调制器的3d B调制速率图。
以上图片中含有：
聚乙烯基板1；输入石墨烯带2a；输出石墨烯带2b；耦合臂石墨烯带2c；金电极3；金属贴片4。
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：
本专利选用的调制器器件尺寸较小，其中在石墨烯上传输的表面等离子体波的频率为8THz，该调制器调制信号的高电压偏置设为15V，低电压偏置为0V。
本专利结构选用的聚乙烯基板，该材料厚度为1.5μm，长度为7μm，宽为1.2μm。
在聚乙烯基板的一侧中部离底部高0.5μm处放置2a输入石墨烯带，长度为2.6μm。
在聚乙烯基板的另一侧中部离底部高0.5μm处放置2c输出石墨烯带，长度为2.6μm。
在聚乙烯基板中离底部高0.9μm处，离输入端面0.9μm处放置2b耦合臂石墨烯带，长度为5.2μm。
在耦合臂石墨烯带的最右侧贴上3金属电极。
在聚乙烯基板的上表面贴上一层4金属贴片。
经过已上设计的调制器通过仿真，其电场强度图如图2所示。由图可见在15V电压偏置时几乎无电场分布在输出石墨烯带上；而在0V偏置电压下，等离子体波可以良好的在石墨烯上传输，在输出端可以检测到一定强度的电场值，能够良好的完成调制功能。
具体调制深度的曲线如图3所示，通过图可见在频率大于7.4THz的频段内调制深度都可以大于50％，可以完成调制的功能。
在对该调制进行RC时延常数的计算，可以得到该调制器的RC时延是0.018μs。在根据已上获得的RC时延最总可以计算得到本调制器的调制带宽为45MHz如图4所示，也就是说当调制信号在45MHz以下时本调制器可以良好的工作。

Claims (5)

1.基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器，其特征在于：聚乙烯基板(1)，输入石墨烯带(2a)，输出石墨烯带(2b)，耦合臂石墨烯带(2c)，金属电极(3)，金属贴片(4)；输入、输出石墨烯带位于同一水平面且不相连，耦合臂石墨烯带位于输入、输出石墨烯带上方；金属贴片位于聚乙烯材料的上方。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器，其特征在于，调制信号即偏置电压是添加在耦合臂石墨烯带(2c)和金属贴片(4)之间的。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器，其特征在于，耦合臂石墨烯带(2c)和输入石墨烯带(2a)之间不直接相连。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器，其特征在于，耦合臂石墨烯带(2c)和输出石墨烯带(2b)之间不直接相连。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯表面等离子体波的太赫兹调制器，其特征在于，输入石墨烯带(2a)和输出石墨烯带(2b)分别位于器件的输入和输入两端并处在同一水平面上。
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