CN107885007A - 一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器 - Google Patents

一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，和电源连接，用于对太赫兹波进行调制，包括由下而上依次设置的下绝缘介质层、石墨烯薄膜层、上绝缘介质层以及光栅层，其中，光栅层为具有亚波长周期的光栅，石墨烯薄膜层为单层石墨烯，石墨烯薄膜层上设置有至少一个电极，电极和亚波长光栅分别与电源导电连接；还包括：反射层以及衬底层，其中，反射层以及衬底层自上至下依次设置在下绝缘介质层的底部。本发明中下绝缘介质层和上绝缘介质层组成F‑P谐振腔，F‑P效应在谐振频点上加强了光子模式局域电场与石墨烯的相互作用，实现在快速调制的同时也能达到较大的调制深度；反射层增强了反射率，使得调制器具有更好的调制效果。

Description

一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器
技术领域
本发明涉及太赫兹功能器件领域，具体涉及一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器。
背景技术
太赫兹(THz)波是位于微波和远红外之间的电磁波，对应的波长范围为30-3000μm。近年来，随着超快激光技术的快速发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，使得太赫兹技术在信息科学、生物医学、物理学、化学、天文学、光谱与成像技术等领域有了广泛的应用，成为未来科学技术发展重要方向之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。
太赫兹调制器是一种重要的太赫兹功能器件，其应用领域包括太赫兹通信和操控太赫兹波的传播。现有的太赫兹调制器，主要包括以下两类：
一类是只由石墨烯薄膜或者石墨烯结构构成。由于石墨烯的零带隙特性和狄拉克锥形能带结构表现出线性的色散关系，使其具有独特的光学、电学性能以及极高的载流子迁移率和弹道输运特性，是实现高速调制器的理想材料。在太赫兹波段，石墨烯的载流子响应与电导都由带内跃迁决定，通过改变栅压调节载流子浓度，引起石墨烯电导率的改变，从而实现快速调制。但是，石墨烯是由单层原子构成，该类调制器的调制能力受单层石墨烯的厚度，对电磁波的作用能力有限，导致其调制深度不高。
另一类是采用金属亚波长结构并结合可控二极管电容、电感来实现。由亚波长结构组成的超材料是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能，比如其共振特性可将电磁波局域在结构内部，利用很薄的结构即可大幅增强电磁波与结构的作用强度。该类调制器的调制深度大，效果显著，但是调制速度受限于二极管自身的调制速度。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，能够实现快速调制的同时也能达到较大的调制深度。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，和电源连接，用于对太赫兹波进行调制，其特征在于，包括由下而上依次设置的下绝缘介质层、石墨烯薄膜层、上绝缘介质层以及光栅层，其中，光栅层为具有亚波长周期的光栅，用于对太赫兹波进行耦合，石墨烯薄膜层为单层石墨烯，用于对太赫兹波进行吸收，石墨烯薄膜层上设置有至少一个电极，电极和光栅分别与电源导电连接。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：还包括：反射层，用于反射透过石墨烯薄膜层的太赫兹波，其中，反射层设置在下绝缘介质层的底部。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：还包括：衬底层，用于承载反射层，其中，反射层设置在衬底层的顶部。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，反射层为由金、银以及铜中任一种材料制成的镀层，金属反射层的厚度为200～500nm。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，光栅包括多个平行等间隔设置的光栅条以及两个平行设置的导电杆，两个导电杆分别设置在光栅条的两端并导电连接，导电杆与电源导电连接。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，光栅为由金、银以及铝中任一种材料制成的光栅。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，相邻光栅条之间的距离为20～70μm，相邻光栅条之间的间距为10～35μm。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，下绝缘介质层为由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成的绝缘介质层，下绝缘介质层的厚度为1～25μm。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，上绝缘介质层均为由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成的绝缘介质层，上绝缘介质层的厚度均为1～25μm。
本发明提供的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，还可以具有这样的特征：其中，电极的数量为两个，两个电极对称设置在上绝缘介质层的两侧。
发明作用与效果
本发明所涉及的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，由于设置有由下至上依次设置的下绝缘介质层、石墨烯薄膜层、上绝缘介质层以及亚波长结构的光栅层，下绝缘介质层和上绝缘介质层组成F-P谐振腔，形成石墨烯和光栅复合结构，亚波长结构光栅实现表面局域电场增强，F-P效应在谐振频点上加强了光子模式局域电场与石墨烯的相互作用，实现快速调制的同时也能达到较大的调制深度。而且，在电极和光栅之间加上电压，调制石墨烯的载流子浓度，有利于实现偏压调控，改变石墨烯的吸收强度，从而实现电控调制。
附图说明
图1是本发明的实施例中基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器的结构示意图；
图2是本发明的实施例中单层石墨烯的Raman光谱图；
图3是本发明的实施例中光栅的结构示意图；以及
图4是本发明的实施例中施加不同电压时调制器的太赫兹反射变化图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的实施例中基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器的结构示意图。
如图1所示，本实施例中的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器100，和电源连接，用于对太赫兹波进行调制。太赫兹调制器100包括自下至上依次设置的衬底层10、反射层20、下绝缘介质层30、石墨烯薄膜层40、上绝缘介质层50和光栅层60以及设置在石墨烯薄膜层40上的电极70。
如图1所示，衬底层10由硅片材料制成。在本实施例中，衬底层10的厚度为500μm。
如图1所示，反射层20为由具有高反射率的金、银以及铜中任一种材料制成的镀层，厚度为200～500nm。在本实施例中，反射层20通过电子束热蒸镀在衬底层10的上表面。
如图1所示，下绝缘介质层30由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成，用于使反射层20与石墨烯薄膜层40隔离。下绝缘介质层30的厚度为1～25μm，厚度越厚，谐振频率红移。
在本实施例中，下绝缘介质层30的材料为在太赫兹波段透射损耗小且吸水性很小的BCB材料；下绝缘介质层30的厚度为9μm。
图2是本发明的实施例中单层石墨烯的Raman光谱图。
如图1所示，石墨烯薄膜层40为单层石墨烯，用于对太赫兹波进行吸收，通过改变载流子浓度实现效果。本实施例中所采用的单层石墨烯的Raman光谱图，如图2所示。
如图1所示，上绝缘介质层50由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成，用于使石墨烯薄膜层和光栅层隔离。上绝缘介质层50的厚度为1～25μm，厚度越薄，调制工作电压越小。下绝缘介质层30和上绝缘介质层50组成法布里珀罗F-P谐振腔。
在本实施例中，上绝缘介质层50的材料为BCB材料；下绝缘介质层50的厚度为1μm。
图3是本发明的实施例中光栅的结构示意图。
如图1和图3所示，光栅层60为具有亚波长周期的光栅，用于对太赫兹波进行耦合，使太赫兹波进入F-P谐振腔内。该光栅由金、银以及铝中任一种材料制成，包括多个平行等间隔设置的光栅条61以及两个平行设置的导电杆62。
如图3所示，相邻的光栅条61之间的距离D为20～70μm，即光栅周期；相邻的光栅条61之间的间距S为10～35μm，即相邻的光栅条61之间的空隙的宽度。在本实施例中，相邻的光栅条61之间的距离D为30μm，相邻的光栅条61之间的间距S为15μm。
如图3所示，两个导电杆62分别设置在光栅条61的两端，并与光栅条61导电连接。导电杆62与电源导电连接，导电杆62的宽度为100～500μm。在本实施例中，导电杆62的宽度为200μm。通过改变光栅周期以及导电杆的宽度等结构参数，可以改变调制器的工作频段。本实施例中的调制器的工作频段为2.8～4.2THz。
如图1所示，电极70设置在石墨烯薄膜层40上，用于与电源导电连接。电极70由金、银、铜以及镍中任一种材料制成。
在本实施例中，电极70的数量为两个，在位于上绝缘介质层50的两侧的石墨烯薄膜层40上对称开设有电极开孔，电极70设置在该电极开孔内并固定安装下绝缘介质层30的上表面。电极70的厚度为60～300nm。
本实施例中的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器的工作过程为：太赫兹波照射到器件的光栅层60上，通过光栅将太赫兹波耦合到下绝缘介质层30和上绝缘介质层50组成的F-P谐振腔内，经过多次反射与石墨烯薄膜层40的石墨烯发生作用；反射层20将透过石墨烯薄膜层40的太赫兹波反射回石墨烯薄膜层40内，再次与石墨烯发生作用，提高耦合效率，器件性能得到进一步提高。
图4是本发明的实施例中施加不同电压时调制器的太赫兹反射变化图。
本实施例中的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器的工作方式如下，其测试结果如图4所示。
(1)在不加栅极电压的情况，以激发光栅的表面局域电场的太赫兹波入射调制器，测试太赫兹调制其反射的能量I0。
(2)对电极70和光栅的导电杆62之间施加栅压，以相同频率的相同强度的太赫兹波入射调制器，测试太赫兹调制器反射能量I(V)，由此获得调制器的调制深度为n＝[I0-I(V)]/I0。
本实施例中的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器的制备方法，包括以下流程：选取大小合适的硅片作为衬底层10，清除表面杂质，然后通过电子束热蒸发长上反射层20；接着甩上BCB-3000-46材料，按照一定温度曲线在氮气保护下恒高温度烘干，形成下绝缘介质层30；接着做光刻，然后热蒸发长下电极70，将作为石墨烯薄膜层40的铜基石墨烯用PMMA辅助转移到预制的衬底上面烘干，然后放在丙酮里面浸泡，需要更换三次溶液；接着在石墨烯薄膜层40的上面涂上作为上绝缘介质层50的BCB-3000-35材料，烘干流程和之前类似；然后电极开窗，选取适当厚度光刻胶保护介质层，最后通过光刻，接着长上光栅形成光栅层60，即制备得到一种基于石墨烯光栅复合结构的太赫兹调制器。
实施例作用与效果
本实施例所涉及的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，由于设置有由下至上依次设置的下绝缘介质层、石墨烯薄膜层、上绝缘介质层以及亚波长结构的光栅层，下绝缘介质层和上绝缘介质层组成F-P谐振腔，形成石墨烯和光栅复合结构，亚波长结构光栅实现表面局域电场增强，F-P效应在谐振频点上加强了光子模式局域电场与石墨烯的相互作用，实现快速调制的同时也能达到较大的调制深度。而且，在电极和光栅之间加上电压，调制石墨烯的载流子浓度，有利于实现偏压调控，改变石墨烯的吸收强度，从而实现电控调制。
此外，由于下绝缘介质层的底部还设置有反射层，该反射层用于反射透过石墨烯薄膜层的太赫兹波，使太赫兹波再次和石墨烯发生作用，提供器件效果，具有更好的调制效果。
另外，由于下绝缘介质层以及上绝缘介质层为BCB材料制成，在太赫兹波段透射损耗小且吸水性很小，有利于减少器件的插入损耗。
另外，由于下绝缘介质层的厚度为1～25μm，小于太赫兹波的波长，使得光栅与石墨烯之间存在非常强的近场相互作用，有助于石墨烯的吸收作用。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，和电源连接，用于对太赫兹波进行调制，其特征在于，包括由下而上依次设置的下绝缘介质层、石墨烯薄膜层、上绝缘介质层以及光栅层，
其中，所述光栅层为具有亚波长周期的光栅，用于对所述太赫兹波进行耦合，
所述石墨烯薄膜层为单层石墨烯，用于对所述太赫兹波进行吸收，
所述石墨烯薄膜层上设置有至少一个电极，
所述电极和所述光栅分别与所述电源导电连接。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，还包括：
反射层，用于反射透过所述石墨烯薄膜层的所述太赫兹波，
其中，所述反射层设置在所述下绝缘介质层的底部。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，还包括：
衬底层，用于承载所述反射层，
其中，所述反射层设置在所述衬底层的顶部。
4.根据权利要求2所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述反射层为由金、银以及铜中任一种材料制成的镀层，
所述金属反射层的厚度为200～500nm。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述光栅包括多个平行等间隔设置的光栅条以及两个平行设置的导电杆，
两个所述导电杆分别设置在所述光栅条的两端并导电连接，
所述导电杆与所述电源导电连接。
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述光栅为由金、银以及铝中任一种材料制成的光栅。
7.根据权利要求5所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，相邻所述光栅条之间的距离为20～70μm，
相邻所述光栅条之间的间距为10～35μm。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述下绝缘介质层为由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成的绝缘介质层，
所述下绝缘介质层的厚度为1～25μm。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述上绝缘介质层均为由二氧化铪、氧化铝以及苯并环丁烯BCB中任一种材料制成的绝缘介质层，
所述上绝缘介质层的厚度均为1～25μm。
10.根据权利要求1所述的基于石墨烯和光栅复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：
其中，所述电极的数量为两个，
两个所述电极对称设置在所述上绝缘介质层的两侧。
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