CN109149029A - 周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，它包括信号输入端、信号输出端、高阻硅层、二氧化硅层、石墨烯层、周期结构金属层；周期结构金属层由4×4共16个等间距排列的金属结构单元组成，金属结构单元包括左金属条、右金属条、上金属开口环、下金属开口环；太赫兹波从信号输入端输入，依次经过周期结构金属层、石墨烯层、二氧化硅层、高阻硅层，特定频率的太赫兹波能从信号输出端输出，实现滤波功能；在石墨烯层和高阻硅层之间设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯介电常数，实现不同外加电场时控制不同频率的太赫兹波通过，从而实现可调滤波功能。本发明具有结构简单，性能高，易于加工等优点。

Description

周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器
技术领域
本发明涉及可调太赫兹滤波器，尤其涉及周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器。
背景技术
太赫兹波介于微波和可见光之间，是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，也是电子学向光子学的过渡区域，有重要的学术和应用研究价值。早在上世纪70年代，太赫兹波就引起了科学家的关注，但由于这一波段的产生方法和探测手段相比于微波和光波来说十分落后，因此对太赫兹波的研究一直没有取得较大进展。近些年来，太赫兹实际产生技术的研究取得了重大进展，太赫兹技术逐渐成为世界范围内广泛研究的热点。太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。在实际应用中，由于应用环境噪声和其他的要求限制，需要过滤掉不需要的频率范围和噪声，提高系统的性能，因此太赫兹滤波器在太赫兹系统中具有重要的作用。
太赫兹滤波器在太赫兹系统中的重要作用使得越来越多的研究人员投入到对此的研究中来。然而现有的太赫兹滤波器大都存在着结构复杂、滤波性能低、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、成本低、尺寸小的可调太赫兹滤波器意义重大。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构简单、滤波性能高的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，包括信号输入端、信号输出端、高阻硅层、二氧化硅层、石墨烯层、周期结构金属层；周期结构金属层由4×4共16个等间距排列的金属结构单元组成，金属结构单元包括左金属条、右金属条、上金属开口环、下金属开口环；太赫兹波从信号输入端输入，依次经过周期结构金属层、石墨烯层、二氧化硅层、高阻硅层，特定频率的太赫兹波能从信号输出端输出，实现滤波功能；在石墨烯层和高阻硅层之间设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯介电常数，实现不同外加电场时控制不同频率的太赫兹波通过，从而实现滤波功能。
上述技术方案可采用如下优选方式：
所述的高阻硅层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为50µm。所述的二氧化硅层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为300nm。所述的石墨烯层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为0.34nm。所述的周期金属结构层总长度为480µm，总宽度为320µm，厚度为200nm，左右相邻的金属结构单元间距为20µm，上下相邻的金属结构单元间距为35µm。所述的金属结构单元长度为120µm，宽度为80µm，厚度为200nm。所述的左金属条和右金属条的材料相同，均为铜，尺寸参数相同，长度均为85µm，宽度均为5µm，厚度均为200nm。所述的上金属开口环和下金属开口环的材料相同，均为铜，上金属开口环的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于左边中间的一个边长为5µm的正方形；下金属开口环的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于右边中间的一个边长为5µm的正方形。
本发明的滤波器具有性能高，易于加工等优点，可以在通信、成像等太赫兹应用系统中发挥重要作用。
附图说明
图1是周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的结构示意图；
图2是周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的金属结构单元；
图3是周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的外加电源示意图；
图4是不同外加电压下周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的传输曲线。
具体实施方式
如图1~3所示，周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，它包括信号输入端1、信号输出端2、高阻硅层3、二氧化硅层4、石墨烯层5、周期结构金属层6；周期金属结构层6由4×4共16个等间距排列的金属结构单元7组成，金属结构单元7包括左金属条8、右金属条9、上金属开口环10、下金属开口环11；左金属条8和右金属条9关于金属结构单元7的中心轴对称，上金属开口环10和下金属开口环11关于金属结构单元7的中心点对称；太赫兹波从信号输入端1输入，依次经过周期结构金属层6、石墨烯层5、二氧化硅层4、高阻硅层3，特定频率的太赫兹波能从信号输出端2输出，实现滤波功能；在石墨烯层5和高阻硅层3之间设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯介电常数，实现不同外加电场时控制不同频率的太赫兹波通过，从而实现滤波功能。
所述的高阻硅层3长度为480µm，宽度为320µm，厚度为50µm。所述的二氧化硅层4长度为480µm，宽度为320µm，厚度为300nm。所述的石墨烯层5长度为480µm，宽度为320µm，厚度为0.34nm。所述的周期金属结构层6总长度为480µm，总宽度为320µm，厚度为200nm，左右相邻的金属结构单元7间距为20µm，上下相邻的金属结构单元7间距为35µm。所述的金属结构单元7长度为120µm，宽度为80µm，厚度为200nm。所述的左金属条8和右金属条9的材料相同，均为铜，尺寸参数相同，长度均为85µm，宽度均为5µm，厚度均为200nm。所述的上金属开口环10和下金属开口环11的材料相同，均为铜，上金属开口环10的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于左边中间的一个边长为5µm的正方形；下金属开口环11的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于右边中间的一个边长为5µm的正方形。
实施例1
本实施例中，周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的结构和各部件形状如上所示，因此不再赘述。太赫兹波滤波器的结构参数具体为：高阻硅层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为50µm。二氧化硅层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为300nm。石墨烯层长度为480µm，宽度为320µm，厚度为0.34nm。周期金属结构层总长度为480µm，总宽度为320µm，厚度为200nm，左右相邻的金属结构单元间距为20µm，上下相邻的金属结构单元间距为35µm。金属结构单元长度为120µm，宽度为80µm，厚度为200nm。左金属条和右金属条的材料相同，均为铜，尺寸参数相同，长度均为85µm，宽度均为5µm，厚度均为200nm。上金属开口环和下金属开口环的材料相同，均为铜，上金属开口环的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于左边中间的一个边长为5µm的正方形；下金属开口环的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于右边中间的一个边长为5µm的正方形。图4为周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器的传输曲线图。由图可知，石墨烯化学势μ c =0.1eV时，0.3THz波的传输效率为94.8%；石墨烯化学势μ c =0.3eV时，0.4THz波的传输效率为95.1%；石墨烯化学势μ c =0.5eV时，0.5THz波的传输效率为95.2%；石墨烯化学势μ c =0.7eV时，0.6THz波的传输效率为91.6%；石墨烯化学势μ c =0.9eV时，0.7THz波的传输效率为94.7%。

Claims (8)

1.周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于信号输入端（1）、信号输出端（2）、高阻硅层（3）、二氧化硅层（4）、石墨烯层（5）、周期结构金属层（6）；周期金属结构层（6）由4×4共16个等间距排列的金属结构单元（7）组成，金属结构单元（7）包括左金属条（8）、右金属条（9）、上金属开口环（10）、下金属开口环（11）；左金属条（8）和右金属条（9）关于金属结构单元（7）的中心轴对称，上金属开口环（10）和下金属开口环（11）关于金属结构单元（7）的中心点对称；太赫兹波从信号输入端（1）输入，依次经过周期结构金属层（6）、石墨烯层（5）、二氧化硅层（4）、高阻硅层（3），特定频率的太赫兹波能从信号输出端（2）输出，实现滤波功能；在石墨烯层（5）和高阻硅层（3）之间设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯介电常数，实现不同外加电场时控制不同频率的太赫兹波通过，从而实现可调滤波功能。
2.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的高阻硅层（3）长度为480µm，宽度为320µm，厚度为50µm。
3.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的二氧化硅层（4）长度为480µm，宽度为320µm，厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的石墨烯层（5）长度为480µm，宽度为320µm，厚度为0.34nm。
5.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的周期金属结构层（6）总长度为480µm，总宽度为320µm，厚度为200nm，左右相邻的金属结构单元（7）间距为20µm，上下相邻的金属结构单元（7）间距为35µm。
6.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的金属结构单元（7）长度为120µm，宽度为80µm，厚度为200nm。
7.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的左金属条（8）和右金属条（9）的材料相同，均为铜，尺寸参数相同，长度均为85µm，宽度均为5µm，厚度均为200nm。
8.根据权利要求1所述的周期金属结构与石墨烯交互的太赫兹可调滤波器，其特征在于所述的上金属开口环（10）和下金属开口环（11）的材料相同，均为铜，上金属开口环（10）的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于左边中间的一个边长为5µm的正方形；下金属开口环（11）的外正方形边长为30µm，内正方形边长为20µm，开口为位于右边中间的一个边长为5µm的正方形。
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