四矩形石墨烯腔結(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四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)。它包括信號輸入端、信號輸出端、對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層、二氧化硅層、P型硅基底；P型硅基底上表面設(shè)有四個T形凹槽，P型硅基底的上方為二氧化硅層，二氧化硅層的上方為對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層，太赫茲表面波信號從信號輸入端輸入，沿著對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層的表面?zhèn)鞑ィ詈髲男盘栞敵龆溯敵?，通過調(diào)節(jié)施加在對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層與P型硅基底的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)石墨烯的有效模式折射率，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】四矩形石墨烯腔結(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)，尤其涉及一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)。

【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(Terahertz，簡稱THz)波是指頻率在0.1THz?1THz范圍內(nèi)的電磁波，它處于電子學(xué)向光子學(xué)過渡的領(lǐng)域，集成了微波通信與光通信的優(yōu)點:首先太赫茲波通信能夠獲得比微波通信大得多的帶寬，能有效解決日益嚴(yán)峻的頻帶資源短缺的問題。另外太赫茲波具有很好的穿透性，它能以很小的衰減穿透煙塵、墻壁、碳板、布料及陶瓷等物質(zhì)，解決了光通信在煙塵等惡劣環(huán)境中的局限。太赫茲波的傳輸特性決定了太赫茲波可以應(yīng)用于無線通信。另外太赫茲雷達(dá)分辨率高，可成為未來的高精度雷達(dá)發(fā)展方向。日益發(fā)展的太赫茲波技術(shù)在天文、生物醫(yī)學(xué)、安全及環(huán)境監(jiān)測、成像、寬帶無線通信和雷達(dá)等方面均具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景，其中太赫茲波通信技術(shù)具有毫米波通信及光通信的特性，可以應(yīng)用于室內(nèi)局域網(wǎng)通信等方面。國際上關(guān)于太赫茲波的研宄機構(gòu)大量涌現(xiàn)，并取得了很多研宄成果，太赫茲技術(shù)仍將是未來很長一段時間世界范圍內(nèi)廣泛研宄的熱點。
[0003]太赫茲波通信系統(tǒng)離不開各種太赫茲波功能器件的性能保障。雖然國內(nèi)外對于太赫茲波功能器件的研宄雖然已經(jīng)逐漸展開，但是太赫茲波功能器件作為太赫茲波科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中的重點和難點，相比太赫茲波產(chǎn)生和檢測裝置及太赫茲波傳輸波導(dǎo)的快速發(fā)展，仍然需要投入大量的人力和物力進(jìn)行深入的探索和研宄。對太赫茲波開關(guān)進(jìn)行研宄對于促進(jìn)太赫茲波功能器件的研宄有不可或缺的重要意義。太赫茲波開關(guān)是一種非常重要的太赫茲波器件，用于控制太赫茲波系統(tǒng)中的太赫茲波的通斷。目前國內(nèi)外很多科研機構(gòu)都致力于這方面的研宄并取得了一定的進(jìn)展，但是很少有相關(guān)報道?，F(xiàn)有的太赫茲波開關(guān)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大并且價格昂貴，小型化、低成本的太赫茲波器件是太赫茲波技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此有必要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，制作方便，便于集成，調(diào)制速度快，調(diào)制效率太赫茲波開關(guān)以滿足未來太赫茲波技術(shù)應(yīng)用需要。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型提供一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，技術(shù)方案如下:
[0005]四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)包括信號輸入端、信號輸出端、對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層、二氧化硅層、P型硅基底；P型硅基底上表面設(shè)有四個T形凹槽，P型硅基底的上方為二氧化硅層，二氧化硅層的上方為對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層由矩形石墨烯片、第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片、第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片組成，其中第一 T形石墨烯片的下端與矩形石墨烯片的左側(cè)上端相連，第二 T形石墨烯片的下端與矩形石墨烯片的右側(cè)上端相連，第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片關(guān)于矩形石墨烯片與第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片對稱，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層的左端和右端分別設(shè)有信號輸入端、信號輸出端，對稱石墨稀結(jié)構(gòu)層的左端與二氧化娃層的左端相連，對稱石墨稀結(jié)構(gòu)層的右端與二氧化硅層的右端相連，太赫茲表面波信號從信號輸入端輸入，沿著對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層的表面?zhèn)鞑?，最后從信號輸出端輸出，通過調(diào)節(jié)施加在對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層與P型硅基底的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)石墨烯的有效模式折射率，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
[0006]所述的對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層為單層石墨烯片材料。所述的矩形石墨烯片的長度為22.4 μπι?22.6 μ m,寬度為1.3μηι?1.5μηι ;所述的第一 T形石墨稀片、第二 T形石墨烯片、第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片的大小尺寸相同，均由一個大矩形石墨烯片與小矩形石墨烯片組成，大矩形石墨烯片的長度均為7.1 μ m?7.3 μ m，寬度均為5.7 μ m?5.9 μπι,小矩形石墨稀片的長度為2.2 μπι?2.4 μπι，寬度為1.7 μπι?1.9 μπι，大矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線與小矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線重合，第一 T形石墨烯片與第二 T形石墨稀片最近處的距離為1.7 μπι?1.9 μπι。所述的二氧化娃層的長度為22.4 μπι?22.6 μ m，寬度為20.2 μ m?20.4 μ m，厚度為200 μ m?400 μ m。所述的P型娃基底的長度為22.4 μ m?22.6 μ m，寬度為20.2 μ m?20.4 μ m，厚度為200 μ m?400 μ m。所述的四個T形凹槽的底面尺寸與相對位置與第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片、第三T形石墨烯片、第四T形石墨稀片一致，開槽厚度為100 μπι?200 μπι。
[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是四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖2是對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖3是P型硅基底的俯視圖；
[0011]圖4是開關(guān)在.7ΤΗζ導(dǎo)通時的表面電場強度分布圖；
[0012]圖5是開關(guān)在HHz未完全導(dǎo)通時的表面電場強度分布圖；
[0013]圖6是開關(guān)在7ΤΗζ斷開時的表面電場強度分布圖；
[0014]圖7是開關(guān)在7ΤΗζ的響應(yīng)時間曲線圖；
[0015]圖8是開關(guān)在6.97ΤΗζ?7.03ΤΗζ的消光比。

【具體實施方式】
[0016]如圖1?3所示，四矩形石墨烯腔結(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、對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3、二氧化硅層4、P型硅基底5 ;Ρ型硅基底5上表面設(shè)有四個T形凹槽6，P型硅基底5的上方為二氧化硅層4，二氧化硅層4的上方為對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3由矩形石墨烯片7、第一 T形石墨烯片8、第二 T形石墨烯片9、第三T形石墨烯片10、第四T形石墨烯片11組成，其中第一 T形石墨烯片8的下端與矩形石墨烯片7的左側(cè)上端相連，第二 T形石墨烯片9的下端與矩形石墨烯片7的右側(cè)上端相連，第一 T形石墨烯片8、第二 T形石墨烯片9關(guān)于矩形石墨烯片7與第三T形石墨烯片10、第四T形石墨烯片11對稱，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3的左端和右端分別設(shè)有信號輸入端1、信號輸出端2，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3的左端與二氧化硅層4的左端相連，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3的右端與二氧化硅層4的右端相連，太赫茲表面波信號從信號輸入端I輸入，沿著對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3的表面?zhèn)鞑?，最后從信號輸出?輸出，通過調(diào)節(jié)施加在對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3與P型硅基底5的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)石墨烯的有效模式折射率，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
[0017]所述的對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層3為單層石墨烯片材料。所述的矩形石墨烯片7的長度為22.4 μ m?22.6 μ m，寬度為1.3μηι?1.5μηι ;所述的第一 T形石墨稀片8、第二 T形石墨烯片9、第三T形石墨烯片10、第四T形石墨烯片11的大小尺寸相同，均由一個大矩形石墨烯片與小矩形石墨烯片組成，大矩形石墨烯片的長度均為7.1 μπι?7.3 μπι，寬度均為5.7 μ m?5.9 μ m，小矩形石墨稀片的長度為2.2 μ m?2.4 μ m，寬度為1.7 μ m?1.9 μ m，大矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線與小矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線重合，第一 T形石墨烯片8與第二 T形石墨稀片9最近處的距離為1.7 μπι?1.9 μπι。所述的二氧化娃層4的長度為22.4 μ m?22.6 μ m，寬度為20.2 μ m?20.4 μ m，厚度為200 μ m?400 μ m。所述的P型硅基底5的長度為22.4 μ m?22.6 μ m，寬度為20.2 μ m?20.4 μ m，厚度為200 μ m?400 μ m。所述的四個T形凹槽6的底面尺寸與相對位置與第一 T形石墨烯片8、第二 T形石墨烯片
9、第三T形石墨烯片10、第四T形石墨烯片11 一致，開槽厚度為100 μπι?200 μπι。
[0018]實施例1
[0019]四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān):
[0020]對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層為單層石墨烯片材料。矩形石墨烯片的長度為22.5 μπι，寬度為1.4 μπι;第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片、第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片的大小尺寸相同，均由一個大矩形石墨烯片與小矩形石墨烯片組成，大矩形石墨烯片的長度均為7.2 μ m，寬度均為5.8 μ m，小矩形石墨稀片的長度為2.3 μ m，寬度為1.8 μ m，大矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線與小矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線重合，第一 T形石墨烯片與第二 T形石墨稀片最近處的距離為1.8 μπι。二氧化娃層的長度為22.5 μπι,寬度為20.3 μπι，厚度為300 ymo P型硅基底的長度為22.5 μ m，寬度為20.3 μ m，厚度為300 μ m。四個T形凹槽的底面尺寸與相對位置與第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片、第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片一致，開槽厚度為150 μπι。四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)的各項性能指標(biāo)采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行測試，所得開關(guān)在1ZTHz頻率點導(dǎo)通時、未完全導(dǎo)通時和斷開時的表面電場強度分別如附圖4、圖5和圖6所示，由圖可見通過調(diào)節(jié)石墨烯的模式有效折射率實現(xiàn)良好的太赫茲信號的通斷。圖7所示為開關(guān)在7THz的響應(yīng)時間曲線圖，由圖可得，開關(guān)的調(diào)制時間在毫秒數(shù)量級。圖8所示為開關(guān)在6.97THz?7.03THz的消光比，由圖8可得，開關(guān)在7THz頻率點具有24.97dB的消光比。
【權(quán)利要求】
1.一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于包括信號輸入端(1)、信號輸出端(2^對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3^二氧化硅層(4)、？型硅基底(5) ；？型硅基底(5)上表面設(shè)有四個I形凹槽出)，？型硅基底(5)的上方為二氧化硅層(4), 二氧化硅層(4)的上方為對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3),對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)由矩形石墨烯片(7)、第一 I形石墨烯片(8)、第二 I形石墨烯片(9)、第三I形石墨烯片(10)、第四I形石墨烯片(11)組成，其中第一 I形石墨烯片(8)的下端與矩形石墨烯片(7)的左側(cè)上端相連，第二 I形石墨烯片(9)的下端與矩形石墨烯片(7)的右側(cè)上端相連，第一 I形石墨烯片(8)、第二 I形石墨烯片(9)關(guān)于矩形石墨烯片⑵與第三I形石墨烯片(10)、第四I形石墨烯片(11)對稱，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)的左端和右端分別設(shè)有信號輸入端(1)、信號輸出端(2),對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)的左端與二氧化硅層(4)的左端相連，對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)的右端與二氧化硅層(4)的右端相連，太赫茲表面波信號從信號輸入端(1)輸入，沿著對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)的表面?zhèn)鞑?，最后從信號輸出?2)輸出，通過調(diào)節(jié)施加在對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)與？型硅基底(5)的偏置直流電壓，調(diào)節(jié)石墨烯的有效模式折射率，從而實現(xiàn)太赫茲信號的通斷。
2.如權(quán)利要求1所述的一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的對稱石墨烯結(jié)構(gòu)層(3)為單層石墨烯片材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的矩形石墨稀片(7)的長度為22.4 VIII?22.6 VIII，寬度為1.30111?1.50111 ；所述的第一 丁形石墨烯片(8)、第二 I形石墨烯片(9)、第三I形石墨烯片(10)、第四I形石墨烯片(11)的大小尺寸相同，均由一個大矩形石墨烯片與小矩形石墨烯片組成，大矩形石墨烯片的長度均為7.1 V III?7.3 V III，寬度均為5.7 VIII?5.9 VIII，小矩形石墨稀片的長度為2.2 V III?2.4 V?。?！，寬度為1.7 V?。?！?1.9 V！?。?，大矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線與小矩形石墨烯片對應(yīng)的中心線重合，第一 I形石墨烯片(8)與第二 I形石墨烯片(9)最近處的距離為1.7 0?。?！?1.9 卩 1X1。
4.如權(quán)利要求1所述的一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的二氧化硅層⑷的長度為22.4 VIII?22.6 VIII，寬度為20.2 VIII?20.4 VIII，厚度為200 卩 III ?400 卩 III。
5.如權(quán)利要求1所述的一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的？型娃基底(5)的長度為22.4 VIII?22.6 V111，寬度為20.2 V111?20.4 V111，厚度為200 V111?400卩爪。
6.如權(quán)利要求1所述的一種四矩形石墨烯腔結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)，其特征在于所述的四個I形凹槽(6)的底面尺寸與相對位置與第一 I形石墨烯片(8)、第二 I形石墨烯片(9)、第三I'形石墨烯片(10)、第四I'形石墨烯片(11) 一致，開槽厚度為100 0
【文檔編號】H01P1/10GK204166232SQ201420683338
【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(xué)院