基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  2

基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关。它包括信号输入端、信号输出端、石墨烯波导层、二氧化硅层、P型硅长方体块;太赫兹波信号从信号输入端输入,从信号输出端输出,通过调节施加在石墨烯波导层与P型硅长方体块的偏置直流电压,调节下矩形石墨烯波导的有效模式折射率,使得通过上矩形石墨烯波导、下矩形石墨烯波导的太赫兹信号相位相差0或π,从而实现太赫兹信号的通断。本实用新型具有结构简单,尺寸小,制作方便,便于集成,调制速度快,调制效率高等优点。
【专利说明】基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关

【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太赫兹波开关,尤其涉及一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关。

【背景技术】
[0002]太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间,在宇宙中该波段的信息量占总信息量的约50%。可是直至20世纪80年代,对太赫兹波各方面特性的研宄和了解还非常有限,因而被称为远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”。近些年来,太赫兹源实际产生技术的研宄取得了很大的进展。随着量子级联激光器、自由电子激光器、光波差频方法以及通过光整流等产生较大功率的连续太赫兹波方法的出现,以及超外差式和直接探测器的研宄等太赫兹探测方面的进展,太赫兹技术逐渐成为世界范围内广泛研宄的热点。目前世界上很多国家都积极地开展太赫兹方面的研宄,在国内很多高校和研宄所从事太赫兹研宄。
[0003]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,由于应用环境噪声以及应用需要的限制等,需控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断,因而太赫兹波开关在实际中有重要的应用。当前国内外研宄的并提出过的太赫兹波开关结构主要基于光子晶体、超材料等结构,这些结构往往很复杂,而且在实际制作过程中困难重重,成本较高,对加工工艺和加工环境要求也高。所以迫切需要提出结构简单、尺寸小、便于加工制作的太赫兹波开关来支撑太赫兹波应用领域的发展。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,技术方案如下:
[0005]基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关包括信号输入端、信号输出端、石墨烯波导层、二氧化硅层、P型硅长方体块;二氧化硅层的内部嵌入有P型硅长方体块,P型硅长方体块的底部与二氧化硅层的底部共面,二氧化硅层的上方为石墨烯波导层,石墨烯波导层由左大矩形石墨烯波导、左半圆环石墨烯波导、左小矩形石墨烯波导、上矩形石墨烯波导、下矩形石墨烯波导、右小矩形石墨烯波导、右半圆环石墨烯波导、右大矩形石墨烯波导组成,其中左大矩形石墨烯波导的左端与二氧化硅层的左端相连,左大矩形石墨烯波导的右端与左半圆环石墨烯波导的左侧相接,左半圆环石墨烯波导的右侧上端部与右侧下端部分别与上矩形石墨烯波导的左端部、左小矩形石墨烯波导的左端部相连,下矩形石墨烯波导的左端部与左小矩形石墨烯波导的右端部相连,下矩形石墨烯波导的右端部与右小矩形石墨烯波导的左端部相连,下矩形石墨烯波导的俯视图投影正好落在P型硅长方体块的上表面,右半圆环石墨烯波导左侧上端部与左侧下端部分别与上矩形石墨烯波导的右端部、右小矩形石墨烯波导的右端部相连,右大矩形石墨烯波导的右端与右半圆环石墨烯波导的右侧相接,右大矩形石墨烯波导的右端与二氧化硅层的右端相连,太赫兹波信号从信号输入端输入,从信号输出端输出,通过调节施加在石墨烯波导层与P型硅长方体块的偏置直流电压,调节下矩形石墨烯波导的有效模式折射率,使得通过上矩形石墨烯波导、下矩形石墨烯波导的太赫兹信号相位相差O或JT,从而实现太赫兹信号的通断。
[0006]所述的石墨烯波导层为单层石墨烯片材料。所述的左大矩形石墨烯波导与右大矩形石墨稀波导的大小尺寸相同,长度均为6.6 μ m?6.8 μ m,宽度均为2.0 μ m?2.2 μπι ;所述的左半圆环石墨稀波导和右半圆环石墨稀波导的大小尺寸相同,外圆半径均为7.5 μ m?7.7 μ m,内圆半径均为5.9μηι?6.1ym ;所述的左小矩形石墨稀波导和右小矩形石墨稀波导大小尺寸相同,长度均为2.9 μπι?3.1 μπι,宽度均为1.5μηι?1.7 μπι ;所述的上矩形石墨稀波导的长度为27 μπι?29 μπι,宽度为1.5μηι?1.7μηι ;所述的下矩形石墨稀波导的长度为21 μπι?23 μπι,宽度为1.5 μπι?1.7 μπι。所述的二氧化娃层的长度为56.4μηι?56.6μηι,宽度为31.4μηι?31.6μηι,厚度为500 μ m?700 μ m。所述的P型娃长方体块(5)的长度为21 μ m?23 μ m,宽度为1.5 μ m?1.7 μ m,厚度为200 μ m?400 μ m0
[0007]本实用新型具有结构简单,尺寸小,制作方便,便于集成,调制速度快,调制效率高等优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0008]图1是基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关的立体结构图;
[0009]图2是石墨烯波导层的结构图;
[0010]图3是基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关的的左视图;
[0011]图4是开关在3THz导通时的表面电场强度分布图;
[0012]图5是开关在3THz断开时的表面电场强度分布图;
[0013]图6是开关在3THz的响应时间曲线图。

【具体实施方式】
[0014]如图1?3所示,基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关包括信号输入端1、信号输出端2、石墨烯波导层3、二氧化硅层4、P型硅长方体块5 ;二氧化硅层4的内部嵌入有P型硅长方体块5,P型硅长方体块5的底部与二氧化硅层4的底部共面,二氧化硅层4的上方为石墨烯波导层3,石墨烯波导层3由左大矩形石墨烯波导6、左半圆环石墨烯波导7、左小矩形石墨烯波导8、上矩形石墨烯波导9、下矩形石墨烯波导10、右小矩形石墨烯波导11、右半圆环石墨烯波导12、右大矩形石墨烯波导13组成,其中左大矩形石墨烯波导6的左端与二氧化硅层4的左端相连,左大矩形石墨烯波导6的右端与左半圆环石墨烯波导7的左侧相接,左半圆环石墨烯波导7的右侧上端部与右侧下端部分别与上矩形石墨烯波导9的左端部、左小矩形石墨烯波导8的左端部相连,下矩形石墨烯波导10的左端部与左小矩形石墨烯波导8的右端部相连,下矩形石墨烯波导10的右端部与右小矩形石墨烯波导11的左端部相连,下矩形石墨烯波导10的俯视图投影正好落在P型硅长方体块5的上表面,右半圆环石墨烯波导12左侧上端部与左侧下端部分别与上矩形石墨烯波导9的右端部、右小矩形石墨稀波导11的右端部相连,右大矩形石墨稀波导13的右端与右半圆环石墨稀波导12的右侧相接,右大矩形石墨烯波导13的右端与二氧化硅层4的右端相连,太赫兹波信号从信号输入端I输入,从信号输出端2输出,通过调节施加在石墨烯波导层3与P型硅长方体块5的偏置直流电压,调节下矩形石墨烯波导10的有效模式折射率,使得通过上矩形石墨烯波导9、下矩形石墨烯波导10的太赫兹信号相位相差O或JT,从而实现太赫兹信号的通断。
[0015]所述的石墨烯波导层3为单层石墨烯片材料。所述的左大矩形石墨烯波导6与右大矩形石墨稀波导13的大小尺寸相同,长度均为6.6 μπι?6.8 μπι,宽度均为2.0 μπι?
2.2 μπι ;所述的左半圆环石墨稀波导7和右半圆环石墨稀波导12的大小尺寸相同,外圆半径均为7.5 μ m?7.7 μ m,内圆半径均为5.9μηι?6.1ym ;所述的左小矩形石墨稀波导8和右小矩形石墨稀波导11大小尺寸相同,长度均为2.9 μπι?3.1 μπι,宽度均为1.5 μπι?1.7 μ m ;所述的上矩形石墨稀波导9的长度为27 μπι?29 μπι,宽度为1.5μηι?1.7μηι;所述的下矩形石墨稀波导10的长度为21 μπι?23 μπι,宽度为1.5 μπι?1.7 μπι。所述的二氧化娃层4的长度为56.4 μ m?56.6 μ m,宽度为31.4 μ m?31.6 μ m,厚度为500 μ m?700 μ mo所述的P型硅长方体块5的长度为21 μ m?23 μ m,宽度为1.5 μ m?1.7 μ m,厚度为 200 μ m ?400 μ m。
[0016]实施例1
[0017]基于石墨稀波导结构的太赫兹波开关:
[0018]石墨烯波导层为单层石墨烯片材料。左大矩形石墨烯波导与右大矩形石墨烯波导的大小尺寸相同,长度均为6.7 μπι,宽度均为2.1 μπι ;左半圆环石墨稀波导和右半圆环石墨稀波导的大小尺寸相同,外圆半径均为7.6 μπι,内圆半径均为6.0 μπι ;左小矩形石墨烯波导和右小矩形石墨烯波导大小尺寸相同,长度均为3.0 μπιμπι,宽度均为1.6 μπι;上矩形石墨烯波导的长度为28 μm,宽度为1.6 μm ;下矩形石墨烯波导的长度为22 μm,宽度为1.6 μπι。二氧化硅层的长度为56.5 μm,宽度为31.5 μm,厚度为600 μπι。P型硅长方体块
(5)的长度为22 μm,宽度为1.6 μm,厚度为300 μπι。基于石墨稀波导结构的太赫兹波开关的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试,所得开关的在3ΤΗζ频点导通与断开时的表面电场强度分别如图4、图5所示。由图可见,本开关可以调节施加偏置直流电压,使得通过上矩形石墨烯波导、下矩形石墨烯波导的太赫兹信号相位相差O或,从而实现太赫兹信号的通断。图6所示为开关在3ΤΗζ的响应时间曲线图,由图可得,开关的调制时间在ms数量级,通过公式计算可知本开关的消光为23.0ldB。
【权利要求】
1.一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,其特征在于包括信号输入端(I)、信号输出端(2)、石墨烯波导层(3)、二氧化硅层(4)、P型硅长方体块(5) ;二氧化硅层⑷的内部嵌入有P型硅长方体块(5),P型硅长方体块(5)的底部与二氧化硅层(4)的底部共面,二氧化硅层(4)的上方为石墨烯波导层(3),石墨烯波导层(3)由左大矩形石墨烯波导(6)、左半圆环石墨烯波导(7)、左小矩形石墨烯波导(8)、上矩形石墨烯波导(9)、下矩形石墨烯波导(10)、右小矩形石墨烯波导(11)、右半圆环石墨烯波导(12)、右大矩形石墨烯波导(13)组成,其中左大矩形石墨烯波导(6)的左端与二氧化硅层(4)的左端相连,左大矩形石墨烯波导(6)的右端与左半圆环石墨烯波导(7)的左侧相接,左半圆环石墨烯波导(7)的右侧上端部与右侧下端部分别与上矩形石墨烯波导(9)的左端部、左小矩形石墨烯波导(8)的左端部相连,下矩形石墨烯波导(10)的左端部与左小矩形石墨烯波导(8)的右端部相连,下矩形石墨烯波导(10)的右端部与右小矩形石墨烯波导(11)的左端部相连,下矩形石墨烯波导(10)的俯视图投影正好落在P型硅长方体块(5)的上表面,右半圆环石墨烯波导(12)左侧上端部与左侧下端部分别与上矩形石墨烯波导(9)的右端部、右小矩形石墨烯波导(11)的右端部相连,右大矩形石墨烯波导(13)的右端与右半圆环石墨烯波导(12)的右侧相接,右大矩形石墨烯波导(13)的右端与二氧化硅层(4)的右端相连,太赫兹波信号从信号输入端⑴输入,从信号输出端⑵输出,通过调节施加在石墨烯波导层⑶与P型硅长方体块(5)的偏置直流电压,调节下矩形石墨烯波导(10)的有效模式折射率,使得通过上矩形石墨烯波导(9)、下矩形石墨烯波导(10)的太赫兹信号相位相差O或H,从而实现太赫兹信号的通断。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,其特征在于所述的石墨烯波导层(3)为单层石墨烯片材料。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,其特征在于所述的左大矩形石墨烯波导(6)与右大矩形石墨烯波导(13)的大小尺寸相同,长度均为.6.6μηι?6.8μηι,宽度均为2.0ym?2.2μηι;所述的左半圆环石墨稀波导(7)和右半圆环石墨稀波导(12)的大小尺寸相同,外圆半径均为7.5 μπι?7.7 μπι,内圆半径均为.5.9 μπι ~ 6.1 μπι ;所述的左小矩形石墨稀波导⑶和右小矩形石墨稀波导(11)大小尺寸相同,长度均为2.9 μπι?3.1 μπι,宽度均为1.5μηι?1.7μηι ;所述的上矩形石墨稀波导(9)的长度为27μπι?29 μπι,宽度为1.5μηι?1.7μηι ;所述的下矩形石墨稀波导.(10)的长度为21 μπι?23 μπι,宽度为1.5 μπι?1.7 μπι。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,其特征在于所述的二氧化娃层⑷的长度为56.4 μm?56.6 μm,宽度为31.4 μm?31.6 μm,厚度为.500 μ m ?700 μ m0
5.如权利要求1所述的一种基于石墨烯波导结构的太赫兹波开关,其特征在于所述的P型娃长方体块(5)的长度为21 μ m?23 μ m,宽度为1.5 μ m?1.7 μ m,厚度为200 μ m?.400 μ m0
【文档编号】H01P1/10GK204166233SQ201420683349
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】邹欢清, 裘国华 申请人:中国计量学院

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