CN107144917A - 一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，该器件由一层二氧化硅材料衬底层、一层石墨烯层、一层二氧化硅中间层和一层金属铜条带由下往上叠置而成的三层波导结构放置在二氧化硅的衬底上。该波导结构基于石墨烯材料在太赫兹波段实现表面等离子体，通过有限元方法模拟计算，设计合理的波导结构，利用模式分析法计算该结构的有效折射率，进而得到该结构在太赫兹波具有较强的约束能力和可控的传输损耗。它具有结构简单、便于加工、约束能力强、易于可调等优点，可广泛满足对太赫兹导波方面应用的要求。

Description

一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯材料作为表面等离子体材料的约束强、易于可调的太赫兹波导器件，属于石墨烯材料在太赫兹波段应用领域。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外光之间，波长通常从30μm到3mm，由于其在各个领域，包括通讯、传感、生物成像等方面有着较为广泛的潜在应用，近年来一直受到人们的关注和研究。然而随着太赫兹技术应用的快速发展，波导在通讯中的应用是必不可少的一个器件。尽管大多数金属材料的波导在太赫兹波段可以通过挖孔或者是刻槽来得到，但是这些波导都具有很低的约束能力和较短的传输距离。因此对于能够实现较强约束和性质可控的太赫兹波导器件的需求与日俱增，因为这不仅有着重要的学术应用，也有着深远的现实意义。

到目前为止大多数报道的太赫兹波导器件基本都是基于金属材料，通过对金属材料挖孔或者刻槽，我们通常称之为人工表面等离子体波导。尽管这些波导结构能够传输表面波，但是由于金属对太赫兹波有相对较大的损耗，人工表面等离子体波导仅仅能够传输较短的距离并且这些波导的约束能力也非常的差，这在波导的分束或者弯曲的时候带来了很大的损耗。另外一点是，金属材料的太赫兹波导结构一旦固定，波导的性质就不能再进行调节了。这也在一定程度上限制了太赫兹波导器件的发展。

本发明充分考虑到了实际加工的可操作性，结构难易等要求提出了一种基于石墨烯材料作为表面等离子材料的太赫兹波段的波导器件。其基本原理是：由于石墨烯超薄的性质，表面波很容易透射入石墨烯中，因此石墨烯材料可以支持表面等离子体激元，因为石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负数，表现为金属的性质，从而能够实现太赫兹波段的表面等离子体模式，同时其虚部比金属材料的要小很多，表示石墨烯具有较低的损耗。最为重要的是石墨烯的性质可以通过外加电压的方法去调节，体现了石墨烯太赫兹波导易于可调的良好属性。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成 熟，最常用的加工技术是氧化石墨还原法，故本发明器件在太赫兹实际应用中也有着一定的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易于加工、约束能力强、易于可调并且能广泛应用到实际中的太赫兹波段波导器件。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：由一层二氧化硅材料衬底层、一层石墨烯中间层、一层二氧化硅中间层和一层金属铜条带由下往上叠置而成的三层波导结构放置在二氧化硅的衬底上。

衬底层为二氧化硅材料，厚度为20μm。

石墨烯层其理论的厚度仅仅为0.34nm。

中间层为二氧化硅材料，厚度为50～500nm

条带顶层为金属铜材料，厚度为1μm，宽度为0.5μm～4μm。其作用是与下方的石墨烯层形成天线结构，支持金属-介质-金属型(metal-insulator-metal)表面等离子体模式。其宽度w可根据所需工作频率调节，具有很强的可调性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)该天线结构实现对太赫兹信号的较强的约束能力，远高于金属材料的太赫兹波导器件。

(2)波导器件类似于光波段的金属-介质-金属型结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。

(3)该波导的性质不仅可以通过几何参数例如顶层铜条宽度去调节还可以通过外加电压的方法去调节，体现了可调方式的多样性和易于可调的特点。

附图说明

图1是本发明一种基于石墨烯材料的可调太赫兹波导结构示意图。

图2是本发明结构在不同宽度的顶层金属条带的波导器件的传输特性示意图。

图3是本发明结构在不同的中间层二氧化硅厚度的波导器件的传输特性示意图。

图4是本发明结构在不同的工作频率下的波导器件的传输特性示意图。

图5是本发明结构在不同的化学势能下的波导器件的传输特性示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：

附图1为本波导器件结构示意简图。二氧化硅衬底层1上叠加一层厚度仅为为0.34nm的的石墨烯层2、上层再叠加一层厚度为t的二氧化硅层3、最上面是一层宽度为w的金属条带顶层4从而构成三层波导结构放置在二氧化硅晶体上。太赫兹光束沿着z方向入射到结构上。当条带顶层4采用金属铜材料时，这样一种金属铜-二氧化硅-石墨烯三层结构类似于光波段的金属-介质-金属型结构，但是有所不同的是，我们所提出的结构的等离子体模式在y方向上应该被当做是PEC-介质-等离子体模式，并不是真正的我们在光波段的MIM模式，因为在中心的介质层和周围的材料交界处仅仅只有一种等离子体模式，金属在太赫兹波段是没有等离子体模式的，它被认为是PEC。二氧化硅衬底层1是为二氧化硅材料，厚度为20μm。石墨烯中间层2其厚度仅仅为0.34nm。中间层3为二氧化硅材料，厚度h为50nm～500nm。顶层4为金属材料铜，厚度为1μm，宽度为0.5μm～4μm。

图2是通过有限元方法模拟计算得到的该结构在不同宽度的顶层金属条带的波导器件的传输特性示意图。传输特性包括等效模式系数，可以被定义为Re(n_eff)＝β′/K₀；传输损耗，它与Im(n_eff)＝β″/K₀相关。上式中β＝β′-i*β″是波导模式复传播常数，K₀＝2π/λ₀是真空中的波矢，因此Re(n_eff)也可以称为归一化的传播常数，Im(n_eff)为归一化的衰减常数。从图中可以明显的看到在Cu的宽度w从0.5μm到4μm变化的区间里，该波导的等效模式系数很高(Re(n_eff)从8到18之间变化)，这远远高于应用在波导中的任何介质材料的折射率系数。如图2所示，另一个高阶模式随着w增加到某个值也会相应出现。但是我们都想实现波导的单模传输，因此为了实现单模的传输，Cu的宽度w的值应该足够的小，由图2中可以看出Cu的宽度为1μm及以下时，该波导支持单模传输。从图2中还可以看出，随着Cu的宽度w增加，该波导的一阶模和二阶模的等效模式系数的虚部都会在高阶模式出现之前呈现增大的趋势。例如，在二阶模出现之前，一阶模的 等效模式系数的虚部是递增的，随后又出现减少。这显示了传输损耗先增加然后减少。除此以外，平板波导的模式性质不仅仅会被金属Cu的宽度所影响，还会被芯层材料的厚度所影响。如图3所示，是该波导的等效模式系数实部和虚部与中间芯层厚度的关系。我们可以清楚的看到，该波导的等效模式系数和实部和虚部值都衰减了，显示了波导传输损耗的减少是以牺牲约束能力为代价，因此很多时候我们要在这两者之间做出权衡。

我们还要研究该波导的色散特性。如图4所示，工作频率从1THz到10THz变化，该波导的等效模式系数实部的值增加了而等效模式系数虚部的值较少，这说明了在较高的太赫兹频率下，较强的约束能力并且同时还有较低的传输损耗。从石墨烯电导率方程中可以看出，电导率是频率和化学势能的函数，该波导的模式性质会被石墨烯相对介电常数的实部和虚部的值影响，因此随着频率的增大，石墨烯介电常数实部和虚部的模值都将变小，这也在一定程度上暗示了损耗的降低，因为相对介电常数的虚部通常代表的是材料的损耗。正如我们所知，石墨烯中的等离子体与石墨烯材料的化学势能μ_c有很大的关系，所以石墨烯的性质可以通过电压或者化学参杂去调节。这一特点让基于石墨烯的太赫兹等离子体波导性质优于那些波光段的基于普通金属材料(例如金、银、铜等)的等离子体波导。如图5所示，随着化学势能的增加，等效模式系数的实部和虚部都减小了，这显示了在化学势能较大的情况下，波导具有较长的传输距离就会有着较弱的约束能力。波导工作在7THz时，不像铜条宽度的改变带来的高阶模式的结果，改变化学势能μ_c从0.3eV到1eV之间变化也不会产生高阶模式，这对波导的单模传输也是比较有利的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：由一层二氧化硅材料衬底层、一层石墨烯中间层、一层二氧化硅中间层和一层金属铜条带由下往上叠置而成的三层波导结构放置在二氧化硅的衬底上。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：所述二氧化硅衬底层，厚度为20μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：所述石墨烯层其理论的厚度仅仅为0.34nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：所述中间层为二氧化硅材料，厚度为50nm～500nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：所述条带顶层为金属铜材料，厚度为1μm，宽度为0.5μm～4μm。