基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)。它包括信號輸入端、信號輸出端、石墨烯波導層、二氧化硅層、P型硅長方體塊；太赫茲波信號從信號輸入端輸入，從信號輸出端輸出，通過調(diào)節(jié)施加在石墨烯波導層與P型硅長方體塊的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)下矩形石墨烯波導的有效模式折射率，使得通過上矩形石墨烯波導、下矩形石墨烯波導的太赫茲信號相位相差0或π，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，制作方便，便于集成，調(diào)制速度快，調(diào)制效率高等優(yōu)點。
【專利說明】基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及太赫茲波開關(guān)，尤其涉及一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間，在宇宙中該波段的信息量占總信息量的約50%。可是直至20世紀80年代，對太赫茲波各方面特性的研宄和了解還非常有限，因而被稱為遠紅外線和毫米波之間所謂的“太赫茲空隙”。近些年來，太赫茲源實際產(chǎn)生技術(shù)的研宄取得了很大的進展。隨著量子級聯(lián)激光器、自由電子激光器、光波差頻方法以及通過光整流等產(chǎn)生較大功率的連續(xù)太赫茲波方法的出現(xiàn)，以及超外差式和直接探測器的研宄等太赫茲探測方面的進展，太赫茲技術(shù)逐漸成為世界范圍內(nèi)廣泛研宄的熱點。目前世界上很多國家都積極地開展太赫茲方面的研宄，在國內(nèi)很多高校和研宄所從事太赫茲研宄。
[0003]太赫茲系統(tǒng)主要由輻射源、探測器件和各種功能器件組成。在實際應用中，由于應用環(huán)境噪聲以及應用需要的限制等，需控制太赫茲波系統(tǒng)中的太赫茲波的通斷，因而太赫茲波開關(guān)在實際中有重要的應用。當前國內(nèi)外研宄的并提出過的太赫茲波開關(guān)結(jié)構(gòu)主要基于光子晶體、超材料等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)往往很復雜，而且在實際制作過程中困難重重，成本較高，對加工工藝和加工環(huán)境要求也高。所以迫切需要提出結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、便于加工制作的太赫茲波開關(guān)來支撐太赫茲波應用領(lǐng)域的發(fā)展。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型提供一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，技術(shù)方案如下:
[0005]基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)包括信號輸入端、信號輸出端、石墨烯波導層、二氧化硅層、P型硅長方體塊；二氧化硅層的內(nèi)部嵌入有P型硅長方體塊，P型硅長方體塊的底部與二氧化硅層的底部共面，二氧化硅層的上方為石墨烯波導層，石墨烯波導層由左大矩形石墨烯波導、左半圓環(huán)石墨烯波導、左小矩形石墨烯波導、上矩形石墨烯波導、下矩形石墨烯波導、右小矩形石墨烯波導、右半圓環(huán)石墨烯波導、右大矩形石墨烯波導組成，其中左大矩形石墨烯波導的左端與二氧化硅層的左端相連，左大矩形石墨烯波導的右端與左半圓環(huán)石墨烯波導的左側(cè)相接，左半圓環(huán)石墨烯波導的右側(cè)上端部與右側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導的左端部、左小矩形石墨烯波導的左端部相連，下矩形石墨烯波導的左端部與左小矩形石墨烯波導的右端部相連，下矩形石墨烯波導的右端部與右小矩形石墨烯波導的左端部相連，下矩形石墨烯波導的俯視圖投影正好落在P型硅長方體塊的上表面，右半圓環(huán)石墨烯波導左側(cè)上端部與左側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導的右端部、右小矩形石墨烯波導的右端部相連，右大矩形石墨烯波導的右端與右半圓環(huán)石墨烯波導的右側(cè)相接，右大矩形石墨烯波導的右端與二氧化硅層的右端相連，太赫茲波信號從信號輸入端輸入，從信號輸出端輸出，通過調(diào)節(jié)施加在石墨烯波導層與P型硅長方體塊的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)下矩形石墨烯波導的有效模式折射率，使得通過上矩形石墨烯波導、下矩形石墨烯波導的太赫茲信號相位相差O或JT，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
[0006]所述的石墨烯波導層為單層石墨烯片材料。所述的左大矩形石墨烯波導與右大矩形石墨稀波導的大小尺寸相同，長度均為6.6 μ m?6.8 μ m，寬度均為2.0 μ m?2.2 μπι ;所述的左半圓環(huán)石墨稀波導和右半圓環(huán)石墨稀波導的大小尺寸相同，外圓半徑均為7.5 μ m?7.7 μ m，內(nèi)圓半徑均為5.9μηι?6.1ym ;所述的左小矩形石墨稀波導和右小矩形石墨稀波導大小尺寸相同，長度均為2.9 μπι?3.1 μπι，寬度均為1.5μηι?1.7 μπι ；所述的上矩形石墨稀波導的長度為27 μπι?29 μπι，寬度為1.5μηι?1.7μηι ;所述的下矩形石墨稀波導的長度為21 μπι?23 μπι，寬度為1.5 μπι?1.7 μπι。所述的二氧化娃層的長度為56.4μηι?56.6μηι，寬度為31.4μηι?31.6μηι，厚度為500 μ m?700 μ m。所述的P型娃長方體塊(5)的長度為21 μ m?23 μ m，寬度為1.5 μ m?1.7 μ m，厚度為200 μ m?400 μ m0
[0007]本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，制作方便，便于集成，調(diào)制速度快，調(diào)制效率高等優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖2是石墨烯波導層的結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖3是基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的的左視圖；
[0011]圖4是開關(guān)在3THz導通時的表面電場強度分布圖；
[0012]圖5是開關(guān)在3THz斷開時的表面電場強度分布圖；
[0013]圖6是開關(guān)在3THz的響應時間曲線圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1?3所示，基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)包括信號輸入端1、信號輸出端2、石墨烯波導層3、二氧化硅層4、P型硅長方體塊5 ;二氧化硅層4的內(nèi)部嵌入有P型硅長方體塊5，P型硅長方體塊5的底部與二氧化硅層4的底部共面，二氧化硅層4的上方為石墨烯波導層3，石墨烯波導層3由左大矩形石墨烯波導6、左半圓環(huán)石墨烯波導7、左小矩形石墨烯波導8、上矩形石墨烯波導9、下矩形石墨烯波導10、右小矩形石墨烯波導11、右半圓環(huán)石墨烯波導12、右大矩形石墨烯波導13組成，其中左大矩形石墨烯波導6的左端與二氧化硅層4的左端相連，左大矩形石墨烯波導6的右端與左半圓環(huán)石墨烯波導7的左側(cè)相接，左半圓環(huán)石墨烯波導7的右側(cè)上端部與右側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導9的左端部、左小矩形石墨烯波導8的左端部相連，下矩形石墨烯波導10的左端部與左小矩形石墨烯波導8的右端部相連，下矩形石墨烯波導10的右端部與右小矩形石墨烯波導11的左端部相連，下矩形石墨烯波導10的俯視圖投影正好落在P型硅長方體塊5的上表面，右半圓環(huán)石墨烯波導12左側(cè)上端部與左側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導9的右端部、右小矩形石墨稀波導11的右端部相連，右大矩形石墨稀波導13的右端與右半圓環(huán)石墨稀波導12的右側(cè)相接，右大矩形石墨烯波導13的右端與二氧化硅層4的右端相連，太赫茲波信號從信號輸入端I輸入，從信號輸出端2輸出，通過調(diào)節(jié)施加在石墨烯波導層3與P型硅長方體塊5的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)下矩形石墨烯波導10的有效模式折射率，使得通過上矩形石墨烯波導9、下矩形石墨烯波導10的太赫茲信號相位相差O或JT，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
[0015]所述的石墨烯波導層3為單層石墨烯片材料。所述的左大矩形石墨烯波導6與右大矩形石墨稀波導13的大小尺寸相同，長度均為6.6 μπι?6.8 μπι，寬度均為2.0 μπι?
2.2 μπι ;所述的左半圓環(huán)石墨稀波導7和右半圓環(huán)石墨稀波導12的大小尺寸相同，外圓半徑均為7.5 μ m?7.7 μ m，內(nèi)圓半徑均為5.9μηι?6.1ym ;所述的左小矩形石墨稀波導8和右小矩形石墨稀波導11大小尺寸相同，長度均為2.9 μπι?3.1 μπι,寬度均為1.5 μπι?1.7 μ m ;所述的上矩形石墨稀波導9的長度為27 μπι?29 μπι，寬度為1.5μηι?1.7μηι;所述的下矩形石墨稀波導10的長度為21 μπι?23 μπι，寬度為1.5 μπι?1.7 μπι。所述的二氧化娃層4的長度為56.4 μ m?56.6 μ m，寬度為31.4 μ m?31.6 μ m，厚度為500 μ m?700 μ mo所述的P型硅長方體塊5的長度為21 μ m?23 μ m，寬度為1.5 μ m?1.7 μ m，厚度為 200 μ m ?400 μ m。
[0016]實施例1
[0017]基于石墨稀波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān):
[0018]石墨烯波導層為單層石墨烯片材料。左大矩形石墨烯波導與右大矩形石墨烯波導的大小尺寸相同，長度均為6.7 μπι，寬度均為2.1 μπι ;左半圓環(huán)石墨稀波導和右半圓環(huán)石墨稀波導的大小尺寸相同，外圓半徑均為7.6 μπι，內(nèi)圓半徑均為6.0 μπι ;左小矩形石墨烯波導和右小矩形石墨烯波導大小尺寸相同，長度均為3.0 μπιμπι，寬度均為1.6 μπι;上矩形石墨烯波導的長度為28 μm，寬度為1.6 μm ;下矩形石墨烯波導的長度為22 μm，寬度為1.6 μπι。二氧化硅層的長度為56.5 μm，寬度為31.5 μm，厚度為600 μπι。P型硅長方體塊
(5)的長度為22 μm，寬度為1.6 μm，厚度為300 μπι。基于石墨稀波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的各項性能指標采用COMSOL Multiphysics軟件進行測試，所得開關(guān)的在3ΤΗζ頻點導通與斷開時的表面電場強度分別如圖4、圖5所示。由圖可見，本開關(guān)可以調(diào)節(jié)施加偏置直流電壓，使得通過上矩形石墨烯波導、下矩形石墨烯波導的太赫茲信號相位相差O或，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。圖6所示為開關(guān)在3ΤΗζ的響應時間曲線圖，由圖可得，開關(guān)的調(diào)制時間在ms數(shù)量級，通過公式計算可知本開關(guān)的消光為23.0ldB。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于包括信號輸入端(I)、信號輸出端(2)、石墨烯波導層(3)、二氧化硅層(4)、P型硅長方體塊(5) ;二氧化硅層⑷的內(nèi)部嵌入有P型硅長方體塊(5)，P型硅長方體塊(5)的底部與二氧化硅層(4)的底部共面，二氧化硅層(4)的上方為石墨烯波導層(3)，石墨烯波導層(3)由左大矩形石墨烯波導(6)、左半圓環(huán)石墨烯波導(7)、左小矩形石墨烯波導(8)、上矩形石墨烯波導(9)、下矩形石墨烯波導(10)、右小矩形石墨烯波導(11)、右半圓環(huán)石墨烯波導(12)、右大矩形石墨烯波導(13)組成，其中左大矩形石墨烯波導(6)的左端與二氧化硅層(4)的左端相連，左大矩形石墨烯波導(6)的右端與左半圓環(huán)石墨烯波導(7)的左側(cè)相接，左半圓環(huán)石墨烯波導(7)的右側(cè)上端部與右側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導(9)的左端部、左小矩形石墨烯波導(8)的左端部相連，下矩形石墨烯波導(10)的左端部與左小矩形石墨烯波導(8)的右端部相連，下矩形石墨烯波導(10)的右端部與右小矩形石墨烯波導(11)的左端部相連，下矩形石墨烯波導(10)的俯視圖投影正好落在P型硅長方體塊(5)的上表面，右半圓環(huán)石墨烯波導(12)左側(cè)上端部與左側(cè)下端部分別與上矩形石墨烯波導(9)的右端部、右小矩形石墨烯波導(11)的右端部相連，右大矩形石墨烯波導(13)的右端與右半圓環(huán)石墨烯波導(12)的右側(cè)相接，右大矩形石墨烯波導(13)的右端與二氧化硅層(4)的右端相連，太赫茲波信號從信號輸入端⑴輸入，從信號輸出端⑵輸出，通過調(diào)節(jié)施加在石墨烯波導層⑶與P型硅長方體塊(5)的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)下矩形石墨烯波導(10)的有效模式折射率，使得通過上矩形石墨烯波導(9)、下矩形石墨烯波導(10)的太赫茲信號相位相差O或H，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的石墨烯波導層(3)為單層石墨烯片材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的左大矩形石墨烯波導(6)與右大矩形石墨烯波導(13)的大小尺寸相同，長度均為.6.6μηι?6.8μηι，寬度均為2.0ym?2.2μηι;所述的左半圓環(huán)石墨稀波導(7)和右半圓環(huán)石墨稀波導(12)的大小尺寸相同，外圓半徑均為7.5 μπι?7.7 μπι，內(nèi)圓半徑均為.5.9 μπι ~ 6.1 μπι ;所述的左小矩形石墨稀波導⑶和右小矩形石墨稀波導(11)大小尺寸相同，長度均為2.9 μπι?3.1 μπι，寬度均為1.5μηι?1.7μηι ;所述的上矩形石墨稀波導(9)的長度為27μπι?29 μπι，寬度為1.5μηι?1.7μηι ;所述的下矩形石墨稀波導.(10)的長度為21 μπι?23 μπι，寬度為1.5 μπι?1.7 μπι。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的二氧化娃層⑷的長度為56.4 μm?56.6 μm，寬度為31.4 μm?31.6 μm，厚度為.500 μ m ?700 μ m0
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的P型娃長方體塊(5)的長度為21 μ m?23 μ m，寬度為1.5 μ m?1.7 μ m，厚度為200 μ m?.400 μ m0
【文檔編號】H01P1/10GK204166233SQ201420683349
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】鄒歡清, 裘國華 申請人:中國計量學院