CN109298547A - 一种太赫兹调制器和调制方法 - Google Patents

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李尔平
朱海霞
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Abstract

本申请提出一种太赫兹调制器和调制方法，包括：波导硅层、石墨烯层、电极和绝缘层；两层石墨烯层之间设置绝缘层，每层石墨烯层的外侧设置波导硅层，每层石墨烯层上设置电极。由于石墨烯是目前发现的电子迁移率最高的材料，因此采用石墨烯作为调制媒质可有效提高太赫兹调制器的调制速度。采用波导结构并从侧面入射太赫兹波，可以更加有效地增强媒质对太赫兹载波的吸收进而改善太赫兹调制器的调制深度，提高了太赫兹调制器的调制速度，本发明采用无谐振特性的波导结构，故本发明所提出的太赫兹调制器具有宽带工作性能。

Description

一种太赫兹调制器和调制方法
技术领域
本发明涉及太赫兹通信领域，具体涉及一种太赫兹调制器和调制方法。
背景技术
由于太赫兹通信具有频段资源丰富、带宽大、抗干扰能力强等优点，在高速无线通信领域受到了广泛关注。作为太赫兹通信系统核心器件之一，太赫兹调制器的设计非常重要。太赫兹调制器功能是将包含信息的基带信号调制到太赫兹载波，其主要参数有：调制深度、调制速度和调制带宽。
传统太赫兹调制器均为“表面入射结构”，表面入射结构示意图如图1所示，太赫兹载波以垂直于调制媒质的方向入射，基带信号加在调制媒质上对太赫兹载波进行调制。根据是否应用谐振结构将传统太赫兹调制器分为两类：(1)非谐振式调制器，调制带宽大但是由于载波与调制媒质作用小而导致调制深度低；(2)谐振式调制器，调制深度高但是由于其谐振特性导致调制带宽窄。除此之外，传统太赫兹调制器还以硅等其他电子迁移率较低的半导体材料作为调制媒质，导致电子在调制器中运动速度较慢，进而导致调制速度较低，无法满足实际需求。
发明内容
本发明提供一种太赫兹调制器和调制方法，解决传统太赫兹调制器调制深度低、调至带宽窄和调制速度低的问题。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种太赫兹调制器，包括：波导硅层、石墨烯层、电极和绝缘层；
两层石墨烯层之间设置绝缘层，每层石墨烯层的外侧设置波导硅层，每层石墨烯层上设置电极。
优选地，所述绝缘层为三氧化二铝绝缘层。
优选地，所述波导硅层的电阻值大于或者等于10000Ω/cm。
优选地，所述电极为镍电极。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种太赫兹调制方法，应用于上述的太赫兹调制器，包括：
太赫兹载波以平行于石墨烯层的方向从太赫兹调制器的侧面入射；
基带信号通过导线连接加在双层石墨烯层上的镍电极，通过施加电压来改变石墨烯层的化学势，进而改变石墨烯层的电导率，以使太赫兹载波经过太赫兹调制器在不同电压下石墨烯层不同的电导率而受到基带信号的幅度调制。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的技术方案，采用新型二维纳米材料——石墨烯作为调制媒质。由于石墨烯是目前发现的电子迁移率最高的材料，因此采用石墨烯作为调制媒质可有效提高太赫兹调制器的调制速度。采用波导结构并从侧面入射太赫兹波，可以更加有效地增强媒质对太赫兹载波的吸收进而改善太赫兹调制器的调制深度，提高了太赫兹调制器的调制速度，本发明采用无谐振特性的波导结构，故本发明所提出的太赫兹调制器具有宽带工作性能。
附图说明
图1为相关技术的太赫兹带宽调制器的结构示意图；
图2为本发明实施例的太赫兹带宽调制器的结构示意图；
图3为本发明实施例的太赫兹调制器工作原理图；
图4为实施例1的THz-TDS测试系统图。
图5为实施例1的太赫兹频谱随电压变化曲线图。
图6为实施例2的耿氏管测试系统图。
图7为实施例2耿氏管测试得到的调制深度随电压的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图2所示，本发明实施例提供一种太赫兹调制器，包括：波导硅层1、石墨烯层2、电极3和绝缘层4；
两层石墨烯层2之间设置绝缘层4，每层石墨烯层2的外侧设置波导硅层1，每层石墨烯层2上设置电极3。
本发明实施例使用石墨烯作为调制媒介，石墨烯不仅具有光学透明、稳定、高强度、高电导率、高热导率等优良的物理特性，而且具有独特的零带隙的能带结构，在狄拉克点附近还具有线性的能带结构，通过改变石墨烯的化学势可以起到调节石墨烯电导率的作用，这些特性使石墨烯成为太赫兹波调制器设计的理想材料。本发明实施例在两层石墨烯层2之间加上一层绝缘层4，再将石墨烯层2夹在两层波导硅层1之间，分别通过电极3连接外部调制电路，最后将整个结构封装形成太赫兹调制器。
本发明实施例的工作原理如图3所示，Y为波导传输方向，太赫兹载波由太赫兹耦合器耦合进入太赫兹调制器，基带信号经过驱动电路放大后，加载到石墨烯层2上，从而实现对太赫兹载波的幅度调制，被基带信号调制后的太赫兹已调信号将从调制器的另一侧输出。
其中，所述绝缘层4为三氧化二铝绝缘层。
本发明实施例选择三氧化二铝作为绝缘层4材料，是利用三氧化二铝原子层积淀技术制作的三氧化二铝绝缘层，致密，抗漏电性能好。
所述波导硅层1的电阻值大于或者等于10000Ω/cm。
所述波导硅层1起到了导波的作用，作为调制器的主体，用于导波能有效增强调制媒质(石墨烯层2)对太赫兹载波的吸收作用，改善调制器的调制深度。
所述电极3为镍电极。
本发明实施例，所述石墨烯层2为调制媒质，作为有源材料，可通过外加栅压改变其材料特性实现对太赫兹波吸收的调控。外部驱动电路通过镍电极3将电压加载在石墨烯层2上，通过改变石墨烯层2的化学势控制石墨烯层2的电导率，太赫兹载波的信号幅度将随着调制信号电压的大小而变化从而实现对太赫兹载波的调制。
太赫兹载波从波导硅层1侧面入射进入调制器，基带信号电压施加在石墨烯层2上控制石墨烯对载波的吸收率，从而控制载波的信号幅度，最终实现将基带信号调制到太赫兹载波上的功能。
本发明实施例还提供一种太赫兹调制方法，包括：
太赫兹载波以平行于石墨烯层的方向从太赫兹调制器的侧面入射；
基带信号通过导线连接加在双层石墨烯层上的镍电极，通过施加电压来改变石墨烯层的化学势，进而改变石墨烯层的电导率，以使太赫兹载波经过太赫兹调制器在不同电压下石墨烯层不同的电导率而受到基带信号的幅度调制。
实施例1
本实施例的太赫兹调制器的调制媒质采用新型二维纳米材料石墨烯，采用双层石墨烯层2的结构是为了增强对电导率的控制，从而达到更加理想的调制效果。为了保证两层石墨烯层2之间的绝缘，本实施例将一层三氧化二铝绝缘层4加在两层石墨烯层2之间。为了将电压加载在石墨烯层2上，本发明将两个镍电极3分别加在两层石墨烯2上，基带信号通过这两个镍电极3加在石墨烯层2上，利用石墨烯层2的电控特性改变石墨烯层2的电导率从而实现调制。两层波导硅层1则作为整个调制器的主体部分用来导波以增强调制媒质对太赫兹载波的吸收作用从而改善调制器的调制深度。
如图3所示，由太赫兹波源发射出的太赫兹载波以平行于石墨烯层2的方向从太赫兹调制器的侧面入射，经太赫兹波耦合器耦合进入太赫兹调制器。
基带信号经过放大电路放大之后通过导线连接加在双层石墨烯层2上的镍电极3，通过施加电压来改变石墨烯层2的化学势进而改变石墨烯层2的电导率，这样太赫兹载波经过太赫兹调制器时就会由于不同电压下石墨烯层2不同的电导率而受到基带信号的幅度调制。
当太赫兹载波在太赫兹调制器内传输时会受到双层石墨烯层2的作用而改变太赫兹载波自身的幅度，幅度的大小与双层石墨烯层2的电导率有关系。所述双层石墨烯层2的电导率由施加在双层石墨烯层2上的电压控制，从而达到通过改变电压来改变太赫兹载波的幅度，进而达到调制太赫兹载波的目的。最后，已调太赫兹信号从太赫兹调制器的另一端输出，此时基带信号所包含的信息已经装载在太赫兹载波上。
本实施例采用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对太赫兹调制器进行了测试。其中，THz-TDS系统用于研究波导调制器的宽频特性。
THz-TDS测试系统图如图4所示，由太赫兹波源6、太赫兹透镜7、太赫兹调制器5、全反射镜8、太赫兹探测器9等部分组成。本实施例测试中太赫兹探测器9记录下的是太赫兹波时域信号，对时域信号使用FFT变换即可得到频域信号，归一化后得到图5。从图5中可以很清晰的看到，随着电压的变化，太赫兹波透射谱出现了明显的差异，且这种差异并非由噪声引起的，即达到了电控太赫兹波的效果。
实施例2
本实施例采用耿氏管系统对波导调制器进行了测试，耿氏管系统则可实时测试波导调制器单频电控特性。
耿氏管测试系统图如图6所示，由耿氏管源10、太赫兹偏振器11、太赫兹透镜7、太赫兹调制器5、太赫兹探测器9等部分组成。所用单频连续太赫兹波频率为0.3THz。本实施例测试记录了不同电压情况下透射太赫兹的强度并以无偏置电压下的透射强度为标准，计算出不同电压下的调制深度，如图7所示。从图中可以看到，随着电压的增大，调制深度不断增大，这与预期的效果吻合。
由上述测试可见，本发明改善了太赫兹调制器的调制深度，拓展了太赫兹调制器的工作带宽，提高了太赫兹调制器的调制速度，具有其突出显著的技术效果。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种太赫兹调制器，其特征在于，包括：波导硅层、石墨烯层、电极和绝缘层；
两层石墨烯层之间设置绝缘层，每层石墨烯层的外侧设置波导硅层，每层石墨烯层上设置电极。
2.如权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述绝缘层为三氧化二铝绝缘层。
3.如权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述波导硅层的电阻值大于或者等于10000Ω/cm。
4.如权利要求1所述的调制器，其特征在于：所述电极为镍电极。
5.一种太赫兹调制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述的太赫兹调制器，包括：
太赫兹载波以平行于石墨烯层的方向从太赫兹调制器的侧面入射；
基带信号通过导线连接加在双层石墨烯层上的镍电极，通过施加电压来改变石墨烯层的化学势，进而改变石墨烯层的电导率，以使太赫兹载波经过太赫兹调制器在不同电压下石墨烯层不同的电导率而受到基带信号的幅度调制。
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