CN107240781A - 一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，由介质基底层、设置在介质基底层上表面的石墨烯超表面层、以及设置在介质基底层下表面的石墨烯地板层组成；石墨烯超表面层为单层镂空的石墨烯片；即在该层石墨烯片上开设有多个呈矩阵排列的蝶形孔，每个蝶形孔均是由2个大小一致的等腰三角形孔通过顶角相对或相叠设置所形成的轴对称图形；石墨烯地板层由多层具有相同的性能参数的石墨烯片堆叠而成。本发明能够在很宽的频带实现线极化波到圆极化波的转换，并且具有很好的圆极化性能，较大程度拓展了基于石墨烯反射型极化器的调谐带宽，解决了由于干涉条件限制调谐带宽的问题。

Description

一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器
技术领域
本发明涉及太赫兹器件及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器。
背景技术
电磁波的极化在实际应用中起到十分重要的作用，这种特性被用于THz成像、THz传感等。基于超表面的新型极化转换器件具有重量轻、结构简单、损耗低等优点而被广泛应用。然而该类器件中的超表面是由金属材料构建，由此设计的极化转换器件功能单一，工作频率不具备可调谐特性，必须通过修改超表面的几何结构形状和参数进行重新设计，才能够调谐器件的极化转换功能和工作频率，极大限制了器件的应用。此外，现有基于超材料的反射型极化转换器的地板为金属，它对反射电磁波引入固定的180°附加相位，当调谐器件的工作频率时，由于金属地板只能提供固定附加相位，这使得在超表面的干涉条件被破坏，从而影响器件的工作性能，因此器件的调谐带宽受限。
发明内容
本发明所要解决的是现有极化转换器的工作频率不具备可调谐特性的问题，提供一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其具有宽带和频率可调谐的特性。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，包括宽带圆极化转换器本体，该宽带圆极化转换器本体由介质基底层、设置在介质基底层上表面的石墨烯超表面层、以及设置在介质基底层下表面的石墨烯地板层组成；石墨烯超表面层为单层镂空的石墨烯片，即在该层石墨烯片上开设有多个呈矩阵排列的蝶形孔，每个蝶形孔均是由2个大小一致的等腰三角形孔通过顶角相对或相叠设置所形成的轴对称图形；石墨烯地板层由多层具有相同性能参数的石墨烯片堆叠而成；在石墨烯超表面层和介质基底层之间施加偏置电压V1和/或在石墨烯地板层和介质基底层之间施加偏置电压V2，并通过施加不同的偏置电压V1和/或偏置电压V2来调节石墨烯超表面层的费米能级EF1和/或石墨烯地板层的费米能级EF2，从而实现宽带圆极化转换器本体的宽带和频率的动态可调谐。
上述方案中，每个蝶形孔既关于横轴即x轴对称，又关于纵轴即y轴对称。
上述方案中，石墨烯超表面层和石墨烯地板层的每层石墨烯片的厚度为0.335nm～1nm。
上述方案中，石墨烯超表面层通过化学沉淀法附着于介质基底层的上表面。
上述方案中，石墨烯地板层通过随机堆叠法附着于介质基底层的下表面。
上述方案中，介质基底层为硅片。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1、基于石墨烯超表面实现工作频率调谐，并且石墨烯超表面采用互补结构，单元之间的石墨烯表面相连接，方便偏置电压的施加；
2、采用多层石墨烯片代替金属地板，不仅对电磁波有较高的反射作用，并且可以动态调谐反射电磁波的相位，使其在宽频带范围内满足超表面处的电磁波干涉条件，解决了普通器件调谐带宽窄的问题；
3、通过调节石墨烯的费米能级，该极化转换器在0.46-0.9THz实现了线极化波-圆极化波的转换，在此频率范围内圆极化轴比均小于3dB，有较好的圆极化性能。
附图说明
图1为基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器的立体结构示意图。
图2为基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器的石墨烯超表面单元放大结构示意图。
图3为基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器的石墨烯偏压V1和V2加载方式示意图。
图4为当上层石墨烯费米能级EF1＝0.4eV，底层多层石墨烯费米能级EF2＝0.4eV时，本发明的u极化方向电磁波入射后的反射系数曲线图。
图5为调节石墨烯费米能级EF1，EF2得到的圆极化轴比调谐带宽曲线图。
图中标号：1-1、石墨烯超表面层；1-2、介质基底层；1-3、石墨烯地板层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，如图1所示，包括宽带圆极化转换器本体，该宽带圆极化转换器本体由介质基底层1-2、设置在介质基底层1-2上表面的石墨烯超表面层1-1、以及设置在介质基底层1-2下表面的石墨烯地板层1-3组成。
石墨烯超表面层1-1为单层镂空的石墨烯片，如图2所示，即在该层石墨烯片上开设有多个呈矩阵排列的蝶形孔。在本发明优选实施例中，蝶形孔在石墨烯片上沿着x和y方向等数量重复排列得到的，排列个数为25个以上。上述每个蝶形孔由2个大小一致的等腰三角形孔相对设置而成。在本发明优选实施例中，每个蝶形孔的长PX为33um，宽PY为35um。这2个等腰三角形孔的顶角既可以直接相对，此时图2中G的距离为0；又可以相叠，此时图2中G的距离大于0。在本发明优选实施例中，2个等腰三角形孔的顶角相叠设置，且图2中G的距离为2um。由于每个蝶形孔是有2个大小一致的等腰三角形孔相对设置而成，因此每个蝶形孔既关于石墨烯超表面层1-1表面的横轴即x轴对称，又关于石墨烯超表面层1-1表面的纵轴即y轴对称。在本发明优选实施例中，石墨烯超表面层1-1通过化学沉淀法附着于介质基底层1-2的上表面。
石墨烯地板层1-3由多层具有相同的性能参数的石墨烯片堆叠而成。由于多层堆叠的石墨烯具有较高的电导率，能够对电磁波产生较大反射。在本发明优选实施例中，石墨烯地板层1-3通过随机堆叠法附着于介质基底层1-2的下表面。本发明不同于传统以金属为地板的反射型极化器，它的反射地板是采用的多层石墨烯结构。当用多层石墨烯地板代替金属地板，由石墨烯反射电磁波的附加相位不再固定在180°，而是受石墨烯的偏置电压调控，最大的调控范围从-79°到119°。因此，即使我们改变器件的工作频率，由于多层石墨烯片对反射波的相位调控特性，反射波在超表面的干涉条件仍然能够满足，从而大幅度提高了器件工作频率的调谐带宽，相对带宽达到64.7％。
在本发明优选实施例中，介质基底层1-2为硅片，其相对介电常数为11.9。石墨烯超表面层1-1和石墨烯地板层1-3的每层石墨烯片的厚度为0.335nm～1nm。本发明类似于法布里谐振腔的结构。线极化波入射经极化器反射成圆极化波是由于上层石墨烯超表面对电磁波的谐振和类法布里谐振腔对电磁波的谐振共同作用引起电磁波幅度和相位的变化，形成圆极化波。
为了深入了解该极化转换器的调谐过程，我们运用干涉理论去分析其物理机理。当线极化波u，入射器件时，由于石墨烯超表面的各向异性，表面会产生反射和透射的交叉极化分量和共极化分量。透射电磁波的交叉极化分量和共极化分量进入介质，经过地板反射，再次到达石墨烯超表面，此时各个分量的电磁波会在超表面发生干涉。在电磁波干涉作用下，出射电磁波最终的极化状态取决于共极化分量和交叉极化分量的幅度和相位。而交叉极化分量和共极化分量的电磁波在介质中传播一个来回(从超表面到地板再返回超表面)所获得的传播相位如下：
其中，λ0是传输的电磁波的波长，nsi和h介质的折射率和厚度，θ是地板反射电磁波引起的附加相位。当传播相位合适，则会在超表面上产生建设性的干涉条件，具体在本发明中体现为干涉得到的电磁波极化状态为圆极化。反之，就会在超表面产生破环型的干涉条件，恶化器件性能。
对于其他石墨烯超表面的调谐器件，其地板为金属，则地板反射电磁波引起的附加相位θ是固定的为180°。当电磁波波长变化时，nsi，h和θ都不变，则本来满足干涉条件下的就会被打破，从而使得这种类型的器件无法获得一个比较宽的频率调谐范围。但在本发明中由石墨烯地板引起的附加相位θ是可以通过改变石墨烯地板的费米能级进行调控的。通过调节相位θ，使得在不同波长下的传播相位都满足干涉条件，进而拓宽了器件的可调谐带宽。
参见图3，在石墨烯超表面层1-1和介质基底层1-2之间施加偏置电压V和/或在石墨烯地板层1-3和介质基底层1-2之间施加偏置电压V2，并通过施加不同的偏置电压V1和/或偏置电压V2来改变石墨烯超表面层1-1的费米能级EF1和/或石墨烯地板层1-3的费米能级EF2。偏置电压与费米能级之间关系可参考以下公式：
式中为普朗克常量，vf为费米速度取vf＝1.1×106m/s，n为石墨烯载流子浓度，具体可由实验测得。
通过改变石墨烯的费米能级EF1，EF2大小，可以改变石墨烯的电导率，实现石墨烯电导率的动态调控，从而能够在宽频带范围内调谐器件的工作频率，进而实现宽带圆极化转换器本体的宽带和频率的动态可调谐。具体来说，通过调节石墨烯超表面层1-1的费米能级EF1，能够改变石墨烯电导率，从而动态调制上层石墨烯超表面的谐振特性。通过调节石墨烯地板层1-3的费米能级EF2，能有效调谐反射电磁波的相位特性。在利用上层石墨烯即石墨烯超表面层1-1的费米能级EF1调谐器件的工作频率时，同时利用下层石墨烯即石墨烯地板层1-3的费米能级EF2调控反射电磁波的相位，这样可以在宽频带范围内让上层石墨烯超表面的反射波与来自下层石墨烯的反射波之间满足干涉条件，保证器件在宽调谐频带范围内具有较好的极化转换特性。
对所设计的极化转换器各参数进行优化进行仿真实验，得到优选仿真实例，仿真软件选用CST2016。本例一个单元结构各参数如下：边长P＝40um，上层石墨烯的蝶形孔双翼宽度PX＝33um，双翼的长度PY＝35um，两翼中间的间距G＝2um，单层石墨烯厚度为0.335nm。硅基底厚度H＝30um，底层石墨烯为单层石墨烯随机堆叠7层构成多层石墨烯片，且每层石墨烯片的特性参数都相同，具体包括具有相同的弛豫时间τ＝2ps和相同的费米能级EF。
仿真实验中，入射波为线极化波，电场极化方向与x轴呈45°，记作u极化波。当上层石墨烯费米能级EF1＝0.4eV，底层多层石墨烯地板费米能级EF2＝0.4eV时，得到反射波交叉极化分量和同极化分量反射系数的幅度和相位差，如图4所示，在频率范围0.76-0.9THz内，两分量的幅度接近相等，相位差接近90°，故合成波为圆极化波，实现了入射线极化波到反射圆极化波的效果。当改变上层石墨烯超表面的费米能级EF1和底层多层石墨烯地板的费米能级EF2，极化器的圆极化轴比带宽动态调谐，如图5所示，实现了在0.46-0.9THz范围内圆极化轴比小于3dB，相对调谐带宽达到64.7％。
本优选仿真实例中，所提出的极化转换器在很宽的频带实现线极化波到圆极化波的转换，并且具有很好的圆极化性能，较大程度拓展了基于石墨烯反射型极化器的调谐带宽，解决了由于干涉条件限制调谐带宽的问题。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，包括宽带圆极化转换器本体，其特征在于：该宽带圆极化转换器本体由介质基底层(1-2)、设置在介质基底层(1-2)上表面的石墨烯超表面层(1-1)、以及设置在介质基底层(1-2)下表面的石墨烯地板层(1-3)组成；
石墨烯超表面层(1-1)为单层镂空的石墨烯片，即在该层石墨烯片上开设有多个呈矩阵排列的蝶形孔，每个蝶形孔均是由2个大小一致的等腰三角形孔通过顶角相对或相叠设置所形成的轴对称图形；
石墨烯地板层(1-3)由多层具有相同性能参数的石墨烯片堆叠而成；
在石墨烯超表面层(1-1)和介质基底层(1-2)之间施加偏置电压V1和/或在石墨烯地板层(1-3)和介质基底层(1-2)之间施加偏置电压V2，并通过施加不同的偏置电压V1和/或偏置电压V2来调节石墨烯超表面层(1-1)的费米能级EF1和/或石墨烯地板层(1-3)的费米能级EF2，从而实现宽带圆极化转换器本体的宽带和频率的动态可调谐。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其特征在于：每个蝶形孔既关于石墨烯超表面层(1-1)表面的横轴即x轴对称，又关于石墨烯超表面层(1-1)表面的纵轴即y轴对称。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其特征在于：石墨烯超表面层(1-1)和石墨烯地板层(1-3)的每层石墨烯片的厚度为0.335nm～1nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其特征在于：石墨烯超表面层(1-1)通过化学沉淀法附着于介质基底层(1-2)的上表面。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其特征在于：石墨烯地板层(1-3)通过随机堆叠法附着于介质基底层(1-2)的下表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的频率可调谐的宽带圆极化转换器，其特征在于：介质基底层(1-2)为硅片。
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