CN113267913B - 一种超材料调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超材料调制器，包括自上而下排列的表层、石墨烯层、柔性介质层和硅长方条结构衬底层。本发明在硅衬底上刻蚀硅长方条结构形成全介质超材料，利用硅长方条结构与太赫兹波相互作用产生共振，通过激光入射或施加电压的激励方式引起石墨烯层的电导率发生改变，从而实现对太赫兹波的光/电调控。利用全介质材料低损耗的特点，可以实现较高的调制深度。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹通信技术领域中关键功能器件之一的太赫兹波信号调制器，特别是涉及新型超高灵敏动态调制太赫兹波超材料调制器。
背景技术
超材料是具有亚波长大小的人工微结构经过周期性排列构成的，其具有的独特电磁特性是自然材料不具备的。人工设计的单元结构的几何形状对电磁波有独特的光学响应。近年来，超材料成为非常规光学设备发展的热点。随着人们对更多样化功能的追求，超材料功能多样化不断扩展到动态可调的领域。光/电调控基于石墨烯与超材料相结合领域是增强光学响应的重点领域。在这一光/电调控光学响应的背景下光电调控石墨烯被应用与超材料相结合实现超高灵敏度的调制效果引起了人们对其研究的极大兴趣。
太赫兹（THz）技术的发展举世瞩目，并且成为新世纪最为重要的核心技术之一。由于独特的光学特殊性，例如，低光子能量、高穿透性，生物大分子指纹谱等，太赫兹技术广泛应用在公共安全、通讯、以及生物医疗等方面。其中太赫兹的调控成为目前研究热点，超构材料可通过与特定的光电材料结合来实现对太赫兹波动态可控的光学响应。由于太赫兹光子的能量较低，很多物质对于太赫兹光的响应十分微弱，使太赫兹功能器件的研究和发展仍然相对滞后，高效主动的太赫兹调制器件仍然十分匮乏，国内使用没有自主知识产权，缴纳高额的专利使用费，现有的太赫兹波调控器件性能远未达到太赫兹系统应用所需要的指标。目前针对太赫兹超材料的发明专利，例如，东莞理工学院（CN 110244476 A）发明了一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器，该太赫兹调制器可在极低的泵浦光功率下实现对太赫兹波的调制，在900mW的泵浦光功率下调制深度可达90％以上；合肥工业大学（CN111381394 A）发明提供了一种太赫兹超构材料调制器，该调制器不仅调制深度大而且插入损耗小，其调制深度为92%；中国工程物理研究院流体物理研究所（CN 111175996 A）发明了一种太赫兹调制器，该调制器通过施加电压实现衬底材料的电导率极大变化，从而引起载流子浓度的极大变化，通过调节衬底110材料两端施加的电流大小调节太赫兹波的透过率，实现了太赫兹波的透过率的调制，其调制深度达到99.9%。事实上以上描述的调制深度远远未达到应用指标。因此有必要结合现有新材料的发展，发掘和研究更好的新型太赫兹波快速调控结构和体系，实现对太赫兹波快速、高效的调控。
发明内容
本发明提供了一种基于石墨烯超高调制深度的超材料调制器，解决目前调制效果差以及无法实现应用等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种超材料调制器，所述超材料调制器包括自上而下排列的表层、石墨烯层、柔性介质层和硅长方条结构衬底层；
所述硅长方条结构衬底层由两部分硅材料组成，上面部分是若干个相同的硅长方条结构相间排列，下面部分是一定厚度的高阻硅片基底；
当泵浦光激励照射在超材料调制器上时，引起所述石墨烯层的电导率发生变化，实现对入射的太赫兹波透射强度的深度调制进行光/电调控；
所述硅长方条结构衬底层与所述太赫兹波相互作用产生共振，增加所述光/电调控的调制深度。
优选地，所述表层设置有第一金属电极；
所述石墨烯层设置有第二金属电极，所述第二金属电极与所述石墨烯层中的单层石墨烯相连；
所述第一金属电极与外接电源正极连接；所述第二金属电极与外接电源负极连接。
优选地，所述表层为离子胶层；所述离子胶层为所述石墨烯层提高偏压。
优选地，所述柔性介质层为聚酰亚胺层；
优选地，所述若干个相同的硅长方条结构按照固定间隔呈并列式排列。
优选地，所述表层、所述石墨烯层、所述柔性介质层和所述全介质结构衬底层的边长均为基本单元的周期长度；所述基本单元为单个超材料调制器；
所述基本单元的周期长度均为1000微米。
优选地，所述激光入射引起所述石墨烯层的电导率变化，对入射的太赫兹波进行光/电调控，具体包括：
激光照射激发石墨烯层的电导率增加；石墨烯层的电导率增加导致所述石墨烯层和柔性介质层的界面的电场增强；
当太赫兹波入射时，所述激光激发的石墨烯层电导率的增加对太赫兹波进行波前调控；
调控时所述硅长方条结构衬底层与太赫兹波相互作用产生共振的共振幅值发生变化，共振变弱直至消失。
优选地，所述硅长方条结构衬底层与所述太赫兹波相互作用产生共振，增加所述光/电调控的调制效果，具体包括：
在所述硅长方条结构衬底层与所述太赫兹波的相互作用下引起太赫兹波的亚辐射和超辐射的耦合共振；所述耦合共振能增强电场和高Q值响应，从而增加所述光/电调控的调制深度。
超材料调制器的制备方法，所述方法包括：
制备一层高阻硅层作为底层衬底层，其电阻率为500-10000Ω·cm，厚度为300 微米；利用刻蚀工艺刻蚀硅长方条结构；
在所述硅长方条结构衬底层上旋涂一层聚酰亚胺；
利用化学气相沉积方法制备单层石墨烯；并将所述单层石墨烯转移至所述聚酰亚胺膜上表面；
在所述单层石墨烯上制备第二金属电极；
在所述单层石墨烯上利用旋涂法制备离子胶层；
在所述离子胶层上制备第一金属电极。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明区别于传统现有的金属微结构光/电调控超材料进行分析与设计的方案，利用全介质超材料能更有效的利用光子能量，实现超高太赫兹波的调制效果；其原理是当太赫兹波照射到该超材料调制器实现光/电调制时，首先外加的激励方式激光或者电压激发石墨烯层的载流子浓度发生变化，使得石墨烯的电导率发生改变，同时随着激光的功率或者电压增加而增加，增加的石墨烯电导率会对太赫兹进行波前调控。因此，这种经过光/电调控的石墨烯全介质超材料能够更加有效的调制太赫兹波，此外，本发明中共振幅值调制超材料包含的硅长方条结构衬底层与太赫兹波的相互作用下，0.2-2THz范围内能引起太赫兹波亚辐射和超辐射的耦合共振，使得本发明具有很宽的调制带宽和很高调制深度。
本发明通过选择基于石墨烯全介质超材料做光辅材料来调控太赫兹波，通过光/电调制使得所设计的调制器具有智能调控功能；其原理是光和电作为两个参数进行编写程序，通过程序可以智能调控太赫兹波。实现超高调制效果，为太赫兹技术在通讯系统的发展奠定了基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
附图
图1是一种超材料调制器的结构示意图。
图2是一种超材料调制器的硅长方条结构的示意图。
图3是一种超材料调制器的电极分布图。
图4是一种超材料调制器在532nm激光照射下的透射谱图。
图5是一种超材料调制器在不同电压激励下的透射谱图。
图6是一种超材料调制器的制备方法的流程图。
符号说明：1、表层；2、石墨烯层；3、柔性介质层；4、硅长方条结构衬底层；5、凸起硅长方条结；6、凹槽长方条结构；7、第一金属电极；8、外接电源正极；9、第二金属电极10、太赫兹波；11、激光。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
1.本发明提供了一种基于石墨烯超高调制深度的超材料调制器，解决目前调制效果差以及无法实现应用等问题。
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
2.实施例一：
图1所示为一种超材料调制器的结构示意图，本发明实施例提供了一种超材料调制器，该超材料调制器包括自上而下排列的表层1、石墨烯层2、柔性介质层3、硅长方条结构衬底层4；
其中，柔性介质层3贴附于硅长方条结构衬底层4上表面，石墨烯层2贴附于柔性介质层3上表面，表层1贴附于石墨烯层2上表面。
图2所示为一种超材料调制器的硅长方条结构的示意图，该硅长方条结构衬底层4由若干个相同的硅长方条结构相间排列组成。
图3所示为一种超材料调制器的电极分布图，当激光11入射时，会引起石墨烯层2的电导率变化，从而对入射的太赫兹波10进行光/电调控；硅长方条结构衬底层4中的微结构与太赫兹波10相互作用产生共振，增加所述光/电调控的调制深度。
本发明实施例中的表层1为离子胶层，其中的离子胶可为石墨烯层2提高偏压；柔性介质层3为聚酰亚胺层起支撑作用，石墨烯层2为单层石墨烯，该石墨烯层2起调制作用；硅长方条结构衬底层4起到增加调制深度的作用。
3. 参阅图2和图3，本发明实施例中的表层1设置有第一金属电极7，石墨烯层2设置有第二金属电极9，该第二金属电极9与石墨烯层2中的单层石墨烯相连；第一金属电极7与外接电源正极6连接；第二金属电极9与外接电源负极连接，通过两个金属电极为调制器增加了内置电场，并且可以通过外接电源来调节电场的强弱。
作为一种优选地实施方式，本发明实施例中的硅长方条结构衬底层4中的长方条结构共15个，且其按照固定间隔呈并列式排列。
本发明实施例中的表层1、石墨烯层2、柔性介质层3、硅长方条结构衬底层4的边长均为基本单元的周期长度；基本单元为单个超材料调制器。基本单元的周期长度均为1000微米。
作为一种具体的实施方式，本发明实施例中的基本单元的周期长度为1000微米；表层1厚度为5微米，石墨烯层2为单层石墨烯，柔性介质层3的厚度为2微米，硅长方条结构衬底层4的厚度为300微米。
本发明实施例提供的超材料调制器，其调制原理具体为：
激光11照射在超材料调制器上时激发石墨烯层2的电导率增加；石墨烯层2的电导率增加导致石墨烯层2和柔性介质层1界面的电场增强；
当太赫兹波10入射时，激光11激发的石墨烯层2的电导率增加对太赫兹波10进行波前调控；电场增强引起电场屏蔽效应，对太赫兹波10进行再次调控；
其中，表层1为太赫兹波10入射端；硅长方条结构衬底层4为太赫兹波10射出端，入射太赫兹波10垂直射入，射出太赫兹波10沿原方向射出，调控时硅结构与太赫兹波10相互作用产生共振的透射振幅变化。
4.图4是一种超材料调制器在532nm激光照射下的透射谱图。在整个调制过程中，硅长方条结构衬底与太赫兹波10的相互作用引起太赫兹波10的亚辐射和超辐射的耦合共振，该耦合共振能增强电场和高Q值响应，从而增加光/电调控的调制深度。
利用太赫兹时域光谱测试仪测试调制后的太赫兹电场沿着y方向上的透射谱线共振频率和增幅的变化情况，测试内容包括：测试有4个不同功率密度的532nm激光照射的透射谱的共振幅值相对于没有激光照射情况下的共振幅值改变大小的调制情况；测试有3个不同电压作用下的透射谱的共振幅值相对于没有电压激发情况下的共振幅值改变大小的调制情况。
本发明实施例提供的超材料调制器具有幅值调制功能，由石墨烯层、聚酰亚胺层和硅长方条结构衬底层构成，其能够实现多谐振电磁响应，通过施加不同电压和不同功率的激光，最后检测器件共振电磁响应幅值的增减进行调制测试。
本发明实施例提供的超材料调制器是利用石墨烯电导率的变化以及共振能增强电场和高Q值响应的特性，微小的电磁环境改变就能造成明显增幅的调制，从而使其调制灵敏度非常高，并且结构简单，容易制作。
图4是一种超材料调制器在532nm激光照射下的透射谱图和图5是一种超材料调制器在不同电压激励下的透射谱图。将上述调制器搭载到太赫兹时域光谱测试仪中进行调制测试，太赫兹波束设置为从离子胶端入射，再从衬底层射出的光路设置进行探测，得到透射波电磁响应特性，
5.对该调制器施加激光的功率密度分别为0mW/cm2、19.3mW/cm2，34.6mW/cm2 ，95.6mW/cm2和164.3mW/cm2，施加电压分别是0.5V、2.5V、3.5V。图4是一种超材料调制器在532nm激光照射下的透射谱图，施加的激光功率密度分别为0mW/cm2、19.3mW/cm2，34.6mW/cm2 ，95.6mW/cm2和164.3mW/cm2，采用太赫兹时域光谱仪器测量透射谱线幅值的增减。由图4所示测试结果可知，通过测试太赫兹波共振超材料调制器的透射谱线幅值的增减，得到在5个不同激光功率密度下太赫兹电场沿着y方向偏振超材料共振振幅的调制深度最大为87%；图5是一种超材料调制器在不同电压激励下的透射谱图，施加的电压分别为0.5V、2.5V、3.5V，采用太赫兹时域光谱仪器测量透射谱线幅值的增减。由图5所示测试结果可知，在施加3个不同电压下的太赫兹电场沿着y方向偏振的石墨烯超材料共振振幅最大调制深度是346%；由此可见，本发明实现了太赫兹波段超高调制深度的调制。幅值的调制深度高达346%。本发明实施例提供的超材料调制器，其调制更灵活，灵敏度更高，调制深度更高。
6.实施例二：
图6所示为超材料调制器的制备方法的流程图，本发明实施例提供了一种超材料调制器的制备方法，所述方法包括：
S1、制备一层高阻硅层作为底层衬底层4。
制备一层300μm厚的高阻硅层。
S2、在底层衬底层4上刻蚀出高为65微米的硅长方条结构。
S3、在硅长方条结构衬底层4上旋涂聚酰亚胺，具体步骤包括。：
在300μm高阻硅上旋涂10μm厚聚酰亚胺膜：将制备好的高阻硅清洗干净后，在硅结构面上旋涂粘度为3600（厘泊）聚酰亚胺溶液，旋涂时间为60秒，转速为2200RPM。然后对聚酰亚胺溶液进行烘烤，烘烤温度依次为120℃，200℃和230℃时各持续1小时，接着在250℃的情况下再持续烘烤2小时。
S4、利用化学气相沉积方法制备单层石墨烯；并将所述单层石墨烯转移至所述聚酰亚胺膜上表面；
S5、在所述单层石墨烯上制备第二金属电极9；
S6、在所述单层石墨烯上利用旋涂法制备离子胶层；
S7、在所述离子胶层上制备第一金属电极7。
经过上述步骤，得到太赫兹超材料调制器，该结构的太赫兹调制器相比以往的调制器，调制更灵活，灵敏度更高，调制深度更大。增幅的调制深度高达346%。施加不同的电压或激光功率对透射谱线共振峰的幅值进行调制。通过测试太赫兹波共振超材料调制器的透射谱线共振峰的幅值增减的方法，得到在4个不同激光功率密度下太赫兹电场沿着y方向的偏振超材料共振振幅的调制深度最大为87%；在3个施加不同的电压下电场分别y方向偏振的石墨烯超材料共振振幅的最大调制深度为346%；由此可见，本发明实现了太赫兹波段高灵敏度，高调制深度的调制效果，有望实现应用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种超材料调制器，其特征在于，所述超材料调制器包括自上而下排列的表层、石墨烯层、柔性介质层和硅长方条结构衬底层；
所述硅长方条结构衬底层由若干个硅长方条结构组成，所述硅长方条结构包括15个相同的硅长方条并列组成；
激光入射引起所述石墨烯层的电导率变化，对入射的太赫兹波进行光/电调控；
所述硅长方条结构与太赫兹波相互作用下引起太赫兹波的亚辐射和超辐射的耦合共振；所述耦合共振能增强电场和高Q值响应，从而增加所述光/电调控的调制深度。
2.根据权利要求1所述的超材料调制器，其特征在于，
所述表层设置有第一金属电极；
所述石墨烯层设置有第二金属电极，所述第二金属电极与所述石墨烯层中的单层石墨烯相连；
所述第一金属电极与外接电源正极连接；所述第二金属电极与外接电源负极连接。
3.根据权利要求1所述的超材料调制器，其特征在于，
所述表层为离子胶层；所述离子胶层为所述石墨烯层提高偏压。
4.根据权利要求1所述的超材料调制器，其特征在于，所述表层、所述石墨烯层、所述柔性介质层和所述硅长方条结构衬底层的边长均为基本单元的周期长度；所述基本单元为单个超材料调制器；
所述基本单元的周期长度均为1000微米。
5.根据权利要求1所述的超材料调制器，其特征在于，所述激光入射引起所述石墨烯层的电导率变化，对入射的太赫兹波进行光/电调控，具体包括：
激光照射激发石墨烯层的电导率增加；
当太赫兹波入射时，所述激光激发的石墨烯层电导率的增加对太赫兹波进行波前调控。
6.一种根据权利要求1所述的超材料调制器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
制备一层高阻硅层作为底层衬底层；
在所述衬底上刻蚀硅长方条结构；
在所述硅长方条结构衬底层上旋涂聚酰亚胺；
利用化学气相沉积方法制备单层石墨烯；并将所述单层石墨烯转移至所述聚酰亚胺膜上表面；
在所述单层石墨烯上制备第二金属电极；
在所述单层石墨烯上利用旋涂法制备离子胶层；
在所述离子胶层上制备第一金属电极。
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