CN112751200A - 一种全相位动态调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全相位动态调制器，利用石墨烯的费米能级变化特性对相位进行2π范围动态调制，能够解决现有技术中在太赫兹波段石墨烯反射超表面难以达到0‑360°全相位动态连续调控的问题，并且还具有反射效率相对较高的优点，在工作频率下，反射效率达20％以上。并且，本发明设计的石墨烯‑金属结构新颖简单，实验上具有可行性。本发明提供的全相位动态调制器在雷达、安全系统、生物成像和未来第六代无线网络通信等领域具有广泛的潜在应用。

Description

一种全相位动态调制器
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种全相位动态调制器。
背景技术
太赫兹(THz)波指频率在0.1THz(1THz＝1012Hz)-10THz范围的电磁波，波长在0.03-3mm范围内，介于微波与红外光之间，在雷达、安全系统、生物成像和未来第六代无线网络通信等领域具有广泛的潜在应用。
超材料是一种具有非凡电磁特性的人工构造结构，例如负介电常数和磁导率。近年来，超表面作为超材料的二维(2D)等效物，由于其灵活的设计，易于制造和与2D材料的良好兼容性而出现并引起了许多研究兴趣。通过设计材料表面共振结构的几何形状，可以设计反射或透射电磁波的相位，从而使我们能够更有效地控制波。但是，这些设计是静态的，因为一旦制造过程固定下来，结构和相应的相位响应就无法以任何方式改变。因此，近年来科研人员进行了大量的研究来开发可以动态调节的超表面。
石墨烯是碳原子的单层蜂窝形式，在光电子学中有着重要的潜在应用。特别是随着太赫兹技术的快速发展，基于石墨烯的超表面在调制太赫兹波中起着重要的作用，并已在许多工作中进行了研究。这些结果表明，由于石墨烯的表面等离激元可控和费米能级(EF)可调，可以获得理想的共振特性并可用作太赫兹相位动态调制的理想材料。此外，由于电子态的线性密度，石墨烯的费米能级可以很容易地通过改变外加电压进行调制。因此，在这种情况下，相位响应也将通过费米能级进行调制。通过相位设计，超表面的特定相位可以实现太赫兹波的动态波束转向。
目前也有一些基于超材料的全相位动态调制器的研究，但是绝大部分基于石墨烯超表面的全相位动态调制器不能实现2π全相位范围的连续动态可调，如周磊团队通过实验使用两个独立门控的石墨烯超表面证明了反射相位的主动调制达到π；姚建铨团队通过仿真提出了一种新的金属-石墨烯混合超表面，实现了最大295°的相位连续可调。虽然Haroldo T.Hattori团队通过仿真提出了基于石墨烯长短带谐振器的超表面，通过对不同的石墨烯谐振器施加不同的电压来实现动态2π相位调制，但是，其实验可行性较低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明通过对全相位动态调制器进行结构设计与优化，提出了一种新型的全相位动态调制器及使用方法。
具体通过以下技术方案实现：
一种全相位动态调制器，包括金属和介质层，所述全相位动态调制器由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元包括自下而上逐层设置的金属底板、介质层以及石墨烯-金属结构；
其中，所述介质层包括一层或多于一层的介质基板；所述石墨烯-金属结构包括一个石墨烯条、四个相同的金属结构以及两条相同的金属栅极；所述四个等大金属结构以一定距离对称分布在所述石墨烯条的两侧；所述两条金属栅极分别与所述石墨烯条的两端连接。
进一步地，所述微结构单元的总厚度远小于调制器的工作波长。一般地，微结构单元的总厚度比工作波长低一个数量级。
进一步地，所述金属底板的厚度为0.2-1μm，金属底板起到反射作用。
进一步地，所述介质层的总厚度为30-40μm。
进一步地，四个所述相同的金属结构以及两条所述金属栅极的厚度相等，为0.2-1μm。
进一步地，所述金属栅极的间距为174-195μm。金属栅极的间距在此范围内能够实现2π范围内的全相位调制，此外，还便于后续的加工和实验测试。
优选地，所述四个相同的金属结构的形状为扇形，所述扇形半径为60-70μm。这四个扇形金属结构组合到一起可以形成一个圆，相当于一个圆被切成四块扇形。
进一步地，所述石墨烯条两侧分别设有两个紧贴所述石墨烯条的金属结构；紧贴在所述石墨烯条两侧的金属结构的间距与所述石墨烯条的宽度相等，为1-10μm；紧贴在所述石墨烯条同侧的两个金属结构的间距为1-10μm。金属结构之间留有上述范围内的间距，有助于全相位调制器更好地实现0°-360°的相位调制。
进一步地，所述两条相同的金属栅极的宽度为1-10μm。
进一步地，所述介质层由一种介质材料构成，所述介质材料的相对介电常数为2-4；或者所述介质层由多种介质材料构成，所述多种介质材料的相对介电常数分布在2-4、9-13。
由于石墨烯本身特有的光学特性和物理特性，可以通过改变石墨烯的费米能级来达到相位调控的目的。又由于石墨烯的表面等离激元可控和费米能级可调，所以，可以通过调节施加电压来改变石墨烯的费米能级，从而实现相位调制。因此，本发明还提供了所述全相位动态调制器的使用方法，包括在所述全相位动态调制器的表面涂上离子凝胶，以及根据对相位的要求，调节所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的外加电压的步骤。
本发明与现有的全相位动态调制器相比具有如下优点：
1.本发明提出了一种新的可在太赫兹波段工作的金属-石墨烯混合超表面，实现了2π全相位动态调制，并在所需频段内，反射效率在20％以上；
2.可加电进行栅控，从而调节石墨烯的费米能级，实验可行性高；
3.本发明的全相位动态调制器的结构新颖、简单。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为全相位动态调制器的示意图；
图2为全相位动态调制器的正视图；
图3为全相位动态调制器的俯视图；
图4为不同费米能级下全相位动态调制器的反射效率图；
图5为不同费米能级下全相位动态调制器的相位移动图；
图6为在频率为1.135THz下全相位动态调制器的相位移动和反射效率随石墨烯费米能级的变化趋势图。
附图标记：
1-金属底板；2-介质层；3-石墨烯条；4-金属结构；5-金属栅极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一个新型的金属-石墨烯-电介质的太赫兹超材料结构，在太赫兹(THz)模式下，石墨烯的行为类似于金属，并支持表面等离振子共振，与金属进行强耦合行为，实现相位的动态调控。
本发明的全相位动态调制器由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元包括自下而上逐层设置的金属底板1、介质层2以及石墨烯-金属结构；其中，所述介质层2包括一层或多于一层的介质基板,每层介质基板的材料可以相同也可以不同；所述石墨烯-金属结构包括一个石墨烯条3、四个相同的金属结构4以及两条相同的金属栅极5；所述石墨烯条3两侧分别设有两个紧贴所述石墨烯条3的金属结构4，即共有四个相同的金属结构4以一定距离对称分布在所述石墨烯条3的两侧；紧贴在所述石墨烯条两侧的金属结构的间距与所述石墨烯条的宽度相等，四个金属结构4之间留有间距，有助于全相位调制器更好地实现0°-360°的相位调制；所述四个相同的金属结构4可以是扇形，也可以是矩形或其他形状；所述两条金属栅极5分别与所述石墨烯条3的两端连接。
所述微结构单元的总厚度远小于调制器的工作波长。一般地，微结构单元的总厚度比工作波长低一个数量级。
所述金属板的长度为Px，金属板的宽度为Py，金属板的厚度为tsub；所述介质层2的长度、宽度也分别为Px、Py；所述石墨烯条3的宽度为G1，位于石墨烯条3同侧的相邻的两个所述金属结构4的间距为G2；金属栅极5的宽度为d；石墨烯条3的费米能级为Г。
Px的典型变化范围为175-200μm，Py的典型变化范围为175-200μm；G1的典型变化范围为1-10μm；G2的典型变化范围为1-10μm；Г的典型变化范围为0-3.5eV；介质层2的总厚度为30-40μm；金属底板1的厚度为0.2-1μm，金属底板1起到反射作用；四个所述相同的金属结构4以及两条所述金属栅极5的厚度相等，为0.2-1μm；所述金属栅极5的间距为174-195μm，金属栅极5的间距在此范围内能够实现2π范围内的全相位调制，此外，还便于后续的加工和实验测试；金属栅极5的宽度范围为1-10μm。
金属材料可以选金、银、铜或铝。介质层2可以由一种或多种介质材料构成，当所述介质层2由一种介质材料构成时，所述介质材料的相对介电常数为2-4；当所述介质层由多种介质材料构成，所述多种介质材料的相对介电常数分布在2-4、9-13。
实施例
参见图1、图2及图3，本实施例的四个等大金属结构4的形状为扇形，这四个扇形金属结构4组合到一起可以形成一个圆，相当于一个圆被切成四块扇形；本实施例中介质层2包括了三层介质基板；金属材料选用金；全相位动态调制器的工作频率范围为1.135-1.173THz。
金属板的长度为Px＝197.5μm，金属板的宽度为Py＝197.5μm，金属板的厚度tsub＝0.2μm；介质层2的长度Px＝197.5μm、宽度Py＝197.5μm；介质层2由三种介质材料构成，包括了三层介质基板，自下而上的厚度分别为tmid1＝0.3μm，tmid2＝0.1μm，tmid3＝30μm，自下而上的介质基板的相对介电常数分别为3、12、4；所有金属结构4及金属栅极5的厚度均为ttop＝0.2μm；扇形金属结构4的半径R＝75μm；石墨烯条3的宽度为G1＝3μm，紧贴在所述石墨烯条3两侧的金属结构4的间距与所述石墨烯条3的宽度相等，故紧贴在所述石墨烯条3两侧的金属结构4的间距为G1＝3μm，紧贴在所述石墨烯条3同侧的相邻两个扇形金属结构4的间距G2＝10μm；金属栅极5宽度d＝3μm。
由于石墨烯本身特有的光学特性和物理特性，可以通过改变石墨烯的费米能级来达到相位调控的目的。又由于石墨烯的表面等离激元可控和费米能级可调，所以，可以通过调节施加电压来改变石墨烯的费米能级，从而实现相位调制。因此，本发明还提供了所述全相位动态调制器的使用方法，包括在所述全相位动态调制器的表面涂上离子凝胶，以及根据对相位的要求，调节所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的外加电压的步骤。
通过CST Microwave Studio软件对上述全相位动态调制器进行仿真模拟，得到以下仿真数据。
图4表示的是不同费米能级下全相位动态调制器的反射效率图，其中，横坐标表示频率，纵坐标表示反射效率，图中，由反射效率为20％处引伸出的虚线与费米能级为2.5eV对应的曲线的交点所对应的频率为1.173THz；由图4可以看出，费米能级由0逐级变化到3.5eV，在1.135-1.173THz频率范围内，反射效率最低值也能达到20％。由此可见，本发明提供的全相位动态调制器具有相对较高的反射效率。
图5表示的是不同费米能级下全相位动态调制器的相位移动图，其中，横坐标表示频率，纵坐标表示相位，图中的虚线对应的频率为1.135THz，从图可以看出，在1.135-1.173THz频段内，相位都可以做到2π的调制。由此可见，本发明提供的全相位动态调制器能够进行0°-360°全相位调控。
图6表示的是在频率为1.135THz下全相位动态调制器的相位移动和反射效率随石墨烯费米能级的变化趋势图，其中，横坐标表示费米能级，左纵坐标表示相位，右纵坐标表示反射效率。由反射效率随频率的变化趋势来看，在1.135THz下，费米能级由0变化到3.5eV,反射效率最低也能达到30.8％；由相位随频率的变化来看，在1.135THz下，费米能级由0变化到3.5eV,相位由0°变化到360°。由此可见，本发明提供的全相位动态调制器能够实现0°-360°全相位连续动态调控以及具有相对较高的反射效率。
需要强调的是，对本发明提供的结构参数进行缩放、调整结构比例或减少中间介质层材料的种类从而在0.1-10THz范围内实现2π全相位动态调制等均属侵权。
综上所述，本发明提供了一种全相位动态调制器，利用石墨烯的费米能级变化特性对相位进行2π范围动态调制，能够解决现有技术中在太赫兹波段石墨烯反射超表面0-360°全相位动态连续调控的问题，并且还具有反射效率相对较高的优点，在雷达、安全系统、生物成像和未来第六代无线网络通信等领域具有广泛的潜在应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全相位动态调制器，包括金属和介质层，其特征在于，
所述全相位动态调制器由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元包括自下而上逐层设置的金属底板、介质层以及石墨烯-金属结构；
其中，所述介质层包括一层或多于一层的介质基板；所述石墨烯-金属结构包括一个石墨烯条、四个相同的金属结构以及两条相同的金属栅极；所述四个等大金属结构以一定距离对称分布在所述石墨烯条的两侧；所述两条金属栅极分别与所述石墨烯条的两端连接。
2.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述微结构单元的总厚度远小于调制器的工作波长。
3.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述金属底板的厚度为0.2-1μm；所述介质层的总厚度为30-40μm。
4.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，四个所述相同的金属结构以及两条所述金属栅极的厚度相等，为0.2-1μm。
5.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，两条所述金属栅极的间距为174-195μm。
6.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述四个相同的金属结构的形状为扇形，所述扇形半径为60-70μm。
7.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述石墨烯条两侧分别设有两个紧贴所述石墨烯条的金属结构；紧贴在所述石墨烯条两侧的金属结构的间距与所述石墨烯条的宽度相等，为1-10μm；紧贴在所述石墨烯条同侧的两个金属结构的间距为1-10μm。
8.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述两条相同的金属栅极的宽度为1-10μm。
9.根据权利要求1所述的全相位动态调制器，其特征在于，所述介质层由一种介质材料构成，所述介质材料的相对介电常数为2-4；或者所述介质层由多种介质材料构成，所述多种介质材料的相对介电常数分布在2-4、9-13。
10.根据权利要求1所述的全相位动态调制器的使用方法，其特征在于，包括在所述全相位动态调制器的表面涂上离子凝胶，以及根据对相位的要求，调节所述第一金属光栅结构和所述第二金属光栅结构的外加电压的步骤。
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