專利名稱：一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及調(diào)制放大器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器。
背景技術(shù)：
太赫茲波(THz)介于微波與紅外波之間，被稱為“太赫茲空隙”，在短距離無線通信、生物傳感、醫(yī)療診斷、材料特性光譜檢測以及非破壞式探測等方面均具有潛在的應(yīng)用，其獨特的優(yōu)越性已普遍被認識。推動THz技術(shù)進一步的發(fā)展和實際應(yīng)用，不僅需要很好地解決可靠穩(wěn)定的THz源、高靈敏高信噪比的THz探測器，同時還需要提供高性能、高集成度、廉價的太赫茲功能器件，如THz調(diào)制、開關(guān)、濾波、分束、偏振等新型功能器件。然而，與微波和光波段不同，絕大多數(shù)自然物質(zhì)對太赫茲波缺乏有效響應(yīng)，已有電子器件和光學器件也很難直接對太赫茲傳輸進行控制。因此，目前一個很大的瓶頸問題是缺乏有效的材料和器件來操控太赫茲波，這嚴重制約了太赫茲技術(shù)向?qū)嵱没较虬l(fā)展，成為太赫茲領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。在未來THz應(yīng)用中，寬帶高速，小型化且調(diào)制效率高的THz調(diào)制器是必不可少的?？萍脊ぷ髡咭恢痹谕ㄟ^尋找新型材料，設(shè)計新型器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)制，以滿足未來太赫茲測量系統(tǒng)和太赫茲通信發(fā)展的需要。目前國際上對THz調(diào)制器的研究工作主要集中于:
(1)AlGaAs/GaAs結(jié)構(gòu),此種THz調(diào)制器最大調(diào)制深度為6% ；
(2)基于超材料結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器，但此種調(diào)制器本質(zhì)上是窄帶的；
(3)基于石墨烯材料THz體調(diào)制器，B.Sensale-Rodriguez等人進行的石墨烯基太赫茲調(diào)制器的研究，該調(diào)制器調(diào)制深度大于90%，同時最小信號損耗小于5% ;到2012年，B.Sensale-Rodriguez等人研究了 一種電控的石墨烯調(diào)制器,其理想調(diào)制深度達到100%,信號損耗低于15%。該類型THz調(diào)制器具有高速寬帶的優(yōu)點，但是不能實現(xiàn)對THz模式的控制。2004年英國曼切斯特大學A.Geim研究組用剝離方法首先發(fā)現(xiàn)石墨烯(graphene)。它是繼零維富勒烯、一維碳納米管之后所發(fā)現(xiàn)的另一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的單晶功能材料。雖然石墨烯的發(fā)現(xiàn)不過幾年，但它所具有的特殊空間結(jié)構(gòu)、顯著的量子尺寸效應(yīng)引起了人們的強烈關(guān)注。由于石墨烯獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫下電子的超高遷移率，近彈道輸運的電子性質(zhì)，低于銅和銀的電阻率，高導熱性等特點，從晶體管，化學傳感器到納米機電器件，復合材料等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力；由于其獨特的光吸收特性，石墨烯在光電器件上的應(yīng)用逐漸被人們發(fā)覺，并被認為是最具潛力的應(yīng)用方向之一。研究表明，通過改變石墨烯中的費米能級，調(diào)節(jié)帶內(nèi)電子空穴態(tài)密度，進而調(diào)節(jié)太赫茲波的通過率，因此石墨烯可以作為制作太赫茲波調(diào)制器的理想材料。國際上對于石墨烯應(yīng)用于THz調(diào)制器的研究剛剛起步，2011年才開始有文章陸續(xù)發(fā)表，主要的研究工作是利用調(diào)節(jié)石墨烯中的費米能級，調(diào)節(jié)在太赫茲波照射情況下適合帶內(nèi)傳輸?shù)碾娮涌昭☉B(tài)密度，通過調(diào)節(jié)太赫茲波的通過率，完成對太赫茲波的調(diào)制。國際上已經(jīng)報道利用石墨烯和波導結(jié)構(gòu)用于光學頻段(通信頻段1550nm)的調(diào)制器，但尚未見到利用石墨烯和波導結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對THz波的調(diào)制相關(guān)文章。由于目前大部分THz信號功率較低，傳輸損耗較大，THz信號的放大也極為重要。已有研究表明，石墨烯材料在適當?shù)墓鈱W泵浦條件下，可以實現(xiàn)對THz波的放大功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，所述調(diào)制放大器可以實現(xiàn)對THz波的調(diào)制，同時實現(xiàn)對THz波的放大。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，其特征在于包括襯底、波導芯層、兩個歐姆接觸電極、石墨烯層和絕緣介質(zhì)層，所述波導芯層位于所述襯底上表面的中部，所述波導芯層的上面和左右側(cè)面設(shè)有兩個以上石墨烯層，每相鄰的兩個石墨烯層之間使用絕緣介質(zhì)層進行電學隔離，兩個歐姆接觸電極位于所述波導芯層左右兩側(cè)的襯底上，最上層石墨烯層和最下層石墨烯層分別與一個歐姆接觸電極相連。優(yōu)選的:所述波導芯層在THz波段的吸收系數(shù)CL < O-Scm-11 ο優(yōu)選的:襯底在THz波段的折射率大于波導芯層在THz波段的折射率，襯底的厚度大于三倍波導芯層的厚度。優(yōu)選的:所述襯底為二氧化硅，所述波導芯層為硅，所述絕緣介質(zhì)層為氧化鋁。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于:(1)提出基于石墨烯材料的波導結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)新穎；(2)提出將調(diào)制器和放大器集成在同一個器件上，可在實現(xiàn)對太赫茲波高速寬帶深度調(diào)制的同時，實現(xiàn)對太赫茲波的放大，而目前已有的調(diào)制器均對調(diào)制信號有所衰減；(3)器件結(jié)構(gòu)簡單，按需設(shè)計，僅需通過改變波導參數(shù)，便可實現(xiàn)對整個太赫茲頻段的調(diào)制，波導結(jié)構(gòu)的引入也可以改善THz波的模式。(4)器件易于集成，可與THz信號源固態(tài)量子級聯(lián)太赫茲激光器集成以及所用泵浦光通信頻段波長1550nm激光器集成?；谑┎牧系腡Hz調(diào)制放大器，其調(diào)制機理決定了調(diào)制為寬帶調(diào)制，調(diào)制速率理論上受到石墨烯中載流子壽命限制，可達GHz量級。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2是不加電壓，使用兩層石墨烯的調(diào)制放大器的能帶示意圖，
圖3是加偏置電壓后，使用兩層石墨烯的調(diào)制放大器的能帶示意 圖4為THz調(diào)制不意 其中:1、襯底2、波導芯層3、歐姆接觸電極4、石墨烯層5、絕緣介質(zhì)層101、泵浦光201、石墨烯202、絕緣介質(zhì)203、費米能級301、入射的連續(xù)THz波302、本發(fā)明的調(diào)制放大器303、調(diào)制信號304、調(diào)制后的THz波。
具體實施例方式如圖1所示，一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，包括襯底1、波導芯層2、兩個歐姆接觸電極3、石墨烯層4和絕緣介質(zhì)層5。所述波導芯層2位于所述襯底I上表面的中部，所述波導芯層2的上面和左右側(cè)面設(shè)有兩個以上石墨烯層4，每相鄰的兩個石墨烯層4之間使用絕緣介質(zhì)層5進行電學隔離。兩個歐姆接觸電極3位于所述波導芯層2左右兩側(cè)的襯底I上，最上層石墨烯層和最下層石墨烯層分別與一個歐姆接觸電極相連。所述襯底I為二氧化硅，波導芯層2為硅，絕緣介質(zhì)層5為氧化鋁，歐姆接觸電極為金，以上材料的選擇不局限于上述舉例，可根據(jù)需要進行適當選擇。波導結(jié)構(gòu)采用非對稱波導結(jié)構(gòu)，其中波導芯層寬度為0-1目，厚度為0-1 ■*，長度為0-2 mm，襯底厚度要大于三倍的波導芯層厚度，厚度為0-3麗，絕緣介質(zhì)層厚度為0-10 。最上層石墨烯和最下層石墨烯通過歐姆接觸電極分別與正負電壓相連，其中電極與石墨烯形成良好的歐姆接觸，并與太赫茲波導整合在一起。太赫茲波在波導中進行傳播，外加電壓影響石墨烯對太赫茲的吸收，外加調(diào)制電壓范圍為-50到50 V從而調(diào)制太赫茲的通過率。光學泵浦照射在石墨烯材料上，實現(xiàn)對THz信號的放大。圖1中，101為泵浦光，波長為1550 _左右；緊鄰的兩層石墨烯之間使用絕緣介質(zhì)進行電學隔離；波導芯層在THz波段吸收系數(shù)aiOJcjfT1 ;襯底在THz波段的折射率大于波導芯層在THz波段的折射率，厚度大于三倍波導芯層的厚度。以所述調(diào)制放大器總共使用兩層石墨烯材料進行說明。附圖2為不加電壓，兩層石墨烯能帶示意圖，附圖3為加偏置電壓后，兩層石墨烯能帶圖。附圖2和附圖3中，201為石墨烯；202為絕緣介質(zhì)；203為費米能級，費米能級處于狄拉克點。附圖4為THz調(diào)制示意圖，301為入射的連續(xù)THz波；302為本發(fā)明所涉及的調(diào)制放大器；303為調(diào)制信號；304為經(jīng)過調(diào)制后的THz波。兩個歐姆接觸電極分別制作在石墨烯材料上，用來加載調(diào)制電信號303。連續(xù)THz波301入射進入波導后，將在波導中激勵出THz模式，通過調(diào)整波導參數(shù)，可以使得THz模在上下兩層石墨烯 處分布較強。兩個歐姆接觸電極不加電壓時，兩層石墨烯，費米能級^均位于狄拉克點，費米
能級為零。其能帶如附圖2所示，石墨烯不吸收入射的THz波，THz波僅在傳輸過程中，將在波導芯層中產(chǎn)生傳輸損耗。由于THz頻段存在輸出功率小的問題，信號功率損失將加大對THz波的檢測難度，采用光學通信頻段波長為1550nm附近光波泵浦上下兩層石墨烯，將可以放大在波導結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)腡Hz信號。當兩個歐姆接觸電極加上電壓且不開啟泵浦光101時，上下兩層石墨烯中，其中一層石墨烯費米能級進入導帶，另外一層石墨烯費米能級落入價帶，石墨烯能帶圖如附圖3所示。通過調(diào)節(jié)電壓，使得其中代表入射的THz光子能量，ft =h/2 n , h
為普朗克常量，當THz信號進入波導后，將發(fā)生帶內(nèi)吸收，出射的THz信號由于石墨烯的吸收得到了衰減。通過對歐姆接觸電極加壓，對泵浦光開啟關(guān)閉，我們實現(xiàn)了對入射THz波的放大和衰減，同時完成了對THz波信號的調(diào)制，調(diào)制效果，如附圖4所示。所述調(diào)制放大器具有如下特點:(1)提出基于石墨烯材料的波導結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)新穎；
(2)提出將調(diào)制器和放大器集成在同一個器件上，可在實現(xiàn)對太赫茲波高速寬帶深度調(diào)制的同時，實現(xiàn)對太赫茲波的放大，而目前已有的調(diào)制器均對調(diào)制信號有所衰減；(3)器件結(jié)構(gòu)簡單，按需設(shè)計，僅需通過改變波導參數(shù)，便可實現(xiàn)對整個太赫茲頻段的調(diào)制，波導結(jié)構(gòu)的引入也可以改善THz波的模式。(4)器件易于集成，可與THz信號源固態(tài)量子級聯(lián)太赫茲激光器集成以及所用泵浦光通信頻段波長1550nm激光器集成?；谑┎牧系腡Hz調(diào)制放大器，其調(diào)制機理決定了調(diào)制為寬帶調(diào)制，調(diào)制速率理論上受到石墨烯中載流子壽命限制，可達GHz量級。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，其特征在于包括襯底(I)、波導芯層(2)、兩個歐姆接觸電極(3)、石墨烯層(4)和絕緣介質(zhì)層(5)，所述波導芯層(2)位于所述襯底(I)上表面的中部，所述波導芯層(2)的上面和左右側(cè)面設(shè)有兩個以上石墨烯層(4)，每相鄰的兩個石墨烯層(4)之間使用絕緣介質(zhì)層(5)進行電學隔離，兩個歐姆接觸電極(3)位于所述波導芯層(2)左右兩側(cè)的襯底(I)上，最上層石墨烯層和最下層石墨烯層分別與一個歐姆接觸電極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，其特征在于所述絕波導芯層(2)在THz波段的吸收系數(shù)a, < O-Sow-1 ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，其特征在于襯底(I)在THz波段的折射率大于波導芯層(2)在THz波段的折射率，襯底(I)的厚度大于三倍波導芯層(2)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，其特征在于所述襯底(I)為二氧化硅，所述波導芯層(2)為硅，所述絕緣介質(zhì)層(5)為氧化鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于石墨烯波導結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制放大器，涉及調(diào)制放大器技術(shù)領(lǐng)域。包括襯底、波導芯層、兩個歐姆接觸電極、石墨烯層和絕緣介質(zhì)層，所述波導芯層位于所述襯底上表面的中部，所述波導芯層的上面和左右側(cè)面設(shè)有兩個以上石墨烯層，每相鄰的兩個石墨烯層之間使用絕緣介質(zhì)層進行電學隔離，兩個歐姆接觸電極位于所述波導芯層左右兩側(cè)的襯底上，最上層石墨烯層和最下層石墨烯層通過歐姆接觸電極分別與正負電壓相連。所述調(diào)制放大器可以實現(xiàn)對THz波的調(diào)制，同時實現(xiàn)對THz波的放大。
文檔編號G02F1/39GK103197486SQ20131012030
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者王俊龍, 馮志紅, 邢東, 梁士雄, 張立森, 蔚翠, 楊大寶 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所