一種全光控太赫茲強度調(diào)制器及太赫茲強度調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太赫茲波譜【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于石墨烯的全光控超高速太赫茲強度調(diào)制器。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對目前已有的太赫茲強度調(diào)制器的調(diào)制速度低，光譜范圍窄的問題，提高系統(tǒng)適用范圍，本發(fā)明提出了基于石墨烯的全光控超高速太赫茲強度調(diào)制器，通過納米金顆粒增強石墨烯吸收光子的效率，提高光生載流子的濃度，進而加強對太赫茲波的吸收，增強調(diào)制器的調(diào)制效果。本發(fā)明包括：太赫茲波發(fā)生裝置、泵浦光波發(fā)生裝置、太赫茲強度調(diào)制器、太赫茲波探測裝置，通過以上連接完成本發(fā)明的設(shè)計。本發(fā)明主要應(yīng)用于太赫茲通信系統(tǒng)和太赫茲研究領(lǐng)域。
【專利說明】一種全光控太赫茲強度調(diào)制器及太赫茲強度調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波譜【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種全光控太赫茲強度調(diào)制器及太赫茲強度調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波在生物醫(yī)學診斷、機場安全成像、軍事探測、大氣研究、高速通信、包裝產(chǎn)品的質(zhì)量控制、農(nóng)業(yè)濕度分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在應(yīng)用需求的推動下，太赫茲科學技術(shù)已取得了很大的進展。近二十年來，太赫茲時域光譜技術(shù)和量子級聯(lián)激光器的發(fā)展，為太赫茲波的研究提供了合適的光源和探測手段，使得太赫茲發(fā)射和探測技術(shù)都有了很大的發(fā)展。太赫茲強度調(diào)制器作為操縱太赫茲信號傳輸系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部件，其相關(guān)研究對太赫茲科學和技術(shù)的進一步應(yīng)用具有重大意義。由于天然材料對太赫茲波段的電磁響應(yīng)非常微弱，難以實際應(yīng)用于調(diào)制太赫茲波，因而相較于太赫茲發(fā)射和探測技術(shù)的飛速發(fā)展，太赫茲調(diào)制技術(shù)卻顯得進展緩慢。太赫茲波傳輸過程中需要的太赫茲濾波器，調(diào)制器，開關(guān)等各種功能器件的研究仍然較為薄弱。
[0003]現(xiàn)已有的太赫茲強度調(diào)制器主要有兩種，電控調(diào)制器和光控調(diào)制器。目前基于硅等半導(dǎo)體，二氧化釩等相變材料等電控和光控太赫茲強度調(diào)制器都存在較多缺點。如:(I)電控太赫茲強度調(diào)制器的諧振回路具有較大的電容和串聯(lián)電阻，通放電需要一定的時間延遲，導(dǎo)致其調(diào)制器的調(diào)制速度相對較慢；且在電控太赫茲波調(diào)制器的上下表面都需要導(dǎo)電電極(例如導(dǎo)電硅等)實現(xiàn)電控調(diào)制器。電極有自由電子，會吸收太赫茲波，從而引入插入損耗，影響太赫茲調(diào)制效率；(2)硅半導(dǎo)體和二氧化釩材料中光生載流子的遷移速率慢且光生載流子壽命時間長(大約為微秒級量級)，因此，基于硅半導(dǎo)體和二氧化釩材料的電控和光控調(diào)制器限制了太赫茲波的調(diào)制速度，使其調(diào)制速度慢；(3)硅半導(dǎo)體和二氧化釩等調(diào)制器的調(diào)制帶寬窄。綜合來看，現(xiàn)有的太赫茲強度調(diào)制器的調(diào)制速度、調(diào)制帶寬都不能滿足太赫茲研究的要求，有待提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對目前已有的太赫茲強度調(diào)制器的調(diào)制速度低，光譜范圍窄的問題，提高系統(tǒng)適用范圍，本發(fā)明提出了一種全光控太赫茲強度調(diào)制器及太赫茲強度調(diào)制器，通過納米金顆粒層增強石墨烯層吸收光子的效率，提高光生載流子的密度，進而加強對太赫茲波的吸收，增強調(diào)制器的調(diào)制效果。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種全光控太赫茲強度調(diào)制器包括:
太赫茲波發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生太赫茲波；
泵浦光波發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生泵浦光波；
太赫茲強度調(diào)制器，用于吸收泵浦光波的光子，產(chǎn)生光生載流子，隨后吸收用于驅(qū)動光生載流子運動的太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下，與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度；通過調(diào)節(jié)泵浦光波的強度，調(diào)節(jié)石墨烯層光生載流子的濃度，最終調(diào)制太赫茲波的輸出強度，其中所述太赫茲強度調(diào)制器包括:
納米金顆粒層，用于吸收泵浦光波，納米金顆粒層中的自由電子與入射的泵浦光波產(chǎn)生等離子共振，納米金顆粒層通過等離子體共振將泵浦光波的光子傳遞給石墨烯層；
石墨烯層，用于吸收納米金顆粒層傳遞的光子，同時石墨烯層吸收泵浦光產(chǎn)生的光子，所述光子激發(fā)石墨烯層產(chǎn)生光生載流子；隨后石墨烯層接收太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下運動，光生載流子與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度；
石英基底，用于石墨烯層的襯底。
[0006]所述太赫茲波發(fā)生裝置包括用于產(chǎn)生太赫茲波信號的太赫茲發(fā)生器，以及用于聚焦太赫茲發(fā)生器輸出太赫茲波能量的太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器，所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器將太赫茲波信號進行能量聚焦后，所述太赫茲波焦點位于石墨烯層上表面，石英基底位于石墨烯層下表面。
[0007]所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器是太赫茲透鏡或拋物面鏡。
[0008]所述泵浦光波發(fā)生裝置包括用于產(chǎn)生泵浦光波的激光器，用于調(diào)制泵浦光頻率的聲光調(diào)制器，以及用于將聲光調(diào)制器輸出的泵浦光波聚焦調(diào)節(jié)的泵浦光波調(diào)節(jié)器。
[0009]所述泵浦光波調(diào)節(jié)器是透鏡。
[0010]所述當泵浦光波與太赫茲波入射角度重合時，太赫茲波與泵浦光波都是從石墨烯上表面入射，所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器還包括角度調(diào)節(jié)器，所述入射角度指的是入射至石墨烯層的角度。
[0011 ] 所述當泵浦光波垂直入射石墨烯層，太赫茲發(fā)生器輸出的太赫茲波垂直于泵浦光波，所述角度調(diào)節(jié)器是太赫茲調(diào)節(jié)器，經(jīng)太赫茲角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的泵浦光波與太赫茲波入射角度相同時，太赫茲角度調(diào)節(jié)器是ITO反射鏡；當太赫茲波垂直入射石墨烯層，激光器輸出的泵浦光波垂直于太赫茲波，所述角度調(diào)節(jié)器是泵浦光角度調(diào)節(jié)器，經(jīng)過泵浦光角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的泵浦光波與太赫茲波重合時，泵浦光角度調(diào)節(jié)器是硅片，所述太赫茲角度調(diào)節(jié)器是透射泵浦光波而反射太赫茲波的調(diào)節(jié)器，所述泵浦光波角度調(diào)節(jié)器是透射太赫茲波而反射泵浦光波的調(diào)節(jié)器。
[0012]一種全光控太赫茲強度調(diào)制器還包括用于探測太赫茲強度調(diào)制器輸出的太赫茲波探測裝置；所述太赫茲波探測裝置包括太赫茲輸出調(diào)節(jié)器、太赫茲探測器，所述太赫茲波強度調(diào)制器輸出太赫茲波經(jīng)過太赫茲輸出調(diào)節(jié)器聚焦后，傳輸至太赫茲探測器進行太赫茲波強度探測。
[0013]一種太赫茲強度調(diào)制器包括:
納米金顆粒層，用于吸收泵浦光波，納米金顆粒層中的自由電子與入射的泵浦光波產(chǎn)生等離子共振，納米金顆粒層通過等離子體共振將泵浦光波的光子傳遞給石墨烯層；
石墨烯層，用于吸收納米金顆粒層傳遞的光子，同時石墨烯層吸收泵浦光產(chǎn)生的光子，所述光子激發(fā)石墨烯層產(chǎn)生光生載流子，隨后石墨烯層接收驅(qū)動太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下運動，光生載流子與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度；石英基底，用于石墨烯層的襯底。
[0014]所述光生載流子與入射的太赫茲波強度計算過程為:
步驟1:根據(jù)入射太赫茲波時域光譜獲取太赫茲強度調(diào)制器在太赫茲波譜內(nèi)的電導(dǎo)率，根據(jù)公式(I)推導(dǎo)出入射到石墨烯層進入石英基底后的太赫茲波脈沖電場的復(fù)頻譜
【權(quán)利要求】
1.一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于包括: 太赫茲波發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生太赫茲波； 泵浦光波發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生泵浦光波； 太赫茲強度調(diào)制器，用于吸收泵浦光波的光子，產(chǎn)生光生載流子，隨后吸收用于驅(qū)動光生載流子運動的太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下，與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度；通過調(diào)節(jié)泵浦光波的強度，調(diào)節(jié)石墨烯層光生載流子的濃度，最終調(diào)制太赫茲波的輸出強度，其中所述太赫茲強度調(diào)制器包括: 納米金顆粒層，用于吸收泵浦光波，納米金顆粒層中的自由電子與入射的泵浦光波產(chǎn)生等離子共振，納米金顆粒層通過等離子體共振將泵浦光波的光子傳遞給石墨烯層； 石墨烯層，用于吸收納米金顆粒層傳遞的光子，同時石墨烯層吸收泵浦光產(chǎn)生的光子，所述光子激發(fā)石墨烯層產(chǎn)生光生載流子；隨后石墨烯層接收太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下運動，光生載流子與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度； 石英基底，用于石墨烯層的襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述太赫茲波發(fā)生裝置包括用于產(chǎn)生太赫茲波信號的太赫茲發(fā)生器，以及用于聚焦太赫茲發(fā)生器輸出太赫茲波能量的太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器，所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器將太赫茲波信號進行能量聚焦后，所述太赫茲波焦點位于石 墨烯層上表面，石英基底位于石墨烯層下表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器是太赫茲透鏡或拋物面鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述泵浦光波發(fā)生裝置包括用于產(chǎn)生泵浦光波的激光器，用于調(diào)制泵浦光頻率的聲光調(diào)制器，以及用于將聲光調(diào)制器輸出的泵浦光波聚焦調(diào)節(jié)的泵浦光波調(diào)節(jié)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述泵浦光波調(diào)節(jié)器是透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述當泵浦光波與太赫茲波入射角度重合時，太赫茲波與泵浦光波都是從石墨烯上表面入射，所述太赫茲波輸入調(diào)節(jié)器還包括角度調(diào)節(jié)器，所述入射角度指的是入射至石墨烯層的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述當泵浦光波垂直入射石墨烯層，太赫茲發(fā)生器輸出的太赫茲波垂直于泵浦光波，所述角度調(diào)節(jié)器是太赫茲調(diào)節(jié)器，經(jīng)太赫茲角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的泵浦光波與太赫茲波入射角度相同時，太赫茲角度調(diào)節(jié)器是ITO反射鏡；當太赫茲波垂直入射石墨烯層，激光器輸出的泵浦光波垂直于太赫茲波，所述角度調(diào)節(jié)器是泵浦光角度調(diào)節(jié)器，經(jīng)過泵浦光角度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的泵浦光波與太赫茲波重合時，泵浦光角度調(diào)節(jié)器是硅片，所述太赫茲角度調(diào)節(jié)器是透射泵浦光波而反射太赫茲波的調(diào)節(jié)器，所述泵浦光波角度調(diào)節(jié)器是透射太赫茲波而反射泵浦光波的調(diào)節(jié)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的一種全光控太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于還包括用于探測太赫茲強度調(diào)制器輸出的太赫茲波探測裝置；所述太赫茲波探測裝置包括太赫茲輸出調(diào)節(jié)器、太赫茲探測器，所述太赫茲波強度調(diào)制器輸出太赫茲波經(jīng)過太赫茲輸出調(diào)節(jié)器聚焦后，傳輸至太赫茲探測器進行太赫茲波強度探測。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于包括: 納米金顆粒層，用于吸收泵浦光波，納米金顆粒層中的自由電子與入射的泵浦光波產(chǎn)生等離子共振，納米金顆粒層通過等離子體共振將泵浦光波的光子傳遞給石墨烯層； 石墨烯層，用于吸收納米金顆粒層傳遞的光子，同時石墨烯層吸收泵浦光產(chǎn)生的光子，所述光子激發(fā)石墨烯層產(chǎn)生光生載流子，隨后石墨烯層接收驅(qū)動太赫茲波，光生載流子在太赫茲波電場驅(qū)動下運動，光生載流子與其他粒子相互作用，將太赫茲波電場能量消耗并分散到其他粒子中，從而調(diào)制太赫茲波的強度； 石英基底，用于石墨烯層的襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9之一所述的一種太赫茲強度調(diào)制器，其特征在于所述光生載流子與入射的太赫茲波強度計算過程為: 步驟1:根據(jù)入射太赫茲波時域光譜獲取太赫茲強度調(diào)制器在太赫茲波譜內(nèi)的電導(dǎo)率，根據(jù)公式(I)推導(dǎo)出入射到石墨烯層進入石英基底后的太赫茲波脈沖電場的復(fù)頻譜
【文檔編號】G02F1/11GK103487953SQ201310362198
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】彭龍瑤, 朱禮國, 鐘森城, 孟坤, 劉喬, 李澤仁 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所