本發(fā)明涉及太赫茲波耦合器，尤其涉及一種基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器。

背景技術(shù)：

太赫茲技術(shù)是二十世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。太赫茲波獨(dú)特的頻率范圍(位于微波頻段和光頻段之間)覆蓋了多數(shù)大分子物質(zhì)的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，因此多數(shù)大分子物質(zhì)在太赫茲頻段無(wú)論其吸收譜、反射譜還是發(fā)射譜都具有明顯的指紋譜特性，這一點(diǎn)是微波所不具備的。太赫茲脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如：瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等，這些特點(diǎn)決定了太赫茲技術(shù)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、通信領(lǐng)域以及生物領(lǐng)域中有相當(dāng)重要的應(yīng)用前景。因此太赫茲技術(shù)以及太赫茲器件的研究逐漸成為世界范圍內(nèi)廣泛研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái)太赫茲技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展持續(xù)驅(qū)動(dòng)著對(duì)太赫茲器件的需求。在過(guò)去的二十年里，對(duì)太赫茲器件的研究主要集中在太赫茲的產(chǎn)生和探測(cè)上。作為太赫茲通信系統(tǒng)里的關(guān)鍵器件，太赫茲耦合器越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。太赫茲波耦合器是一種將不同波長(zhǎng)的輸入太赫茲波的輸出功率衰減進(jìn)行調(diào)節(jié)的器件，在實(shí)際應(yīng)用中，可調(diào)太赫茲波耦合器是太赫茲通信系統(tǒng)中必不可少的器件之一，因此有必要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，尺寸小，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單且性能優(yōu)良的可調(diào)太赫茲波耦合器來(lái)滿足未來(lái)太赫茲波通信技術(shù)應(yīng)用的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器包括基底層、二氧化硅層、曲邊梯形石墨烯薄膜、矩形石墨烯薄膜、鋸齒形石墨烯薄膜、上弧形石墨烯薄膜、下弧形石墨烯薄膜、信號(hào)輸入端、第一信號(hào)輸出端、第二信號(hào)輸出端；基底層的上層為二氧化硅層，二氧化硅層的上層鋪有曲邊梯形石墨烯薄膜、矩形石墨烯薄膜、鋸齒形石墨烯薄膜、上弧形石墨烯薄膜、下弧形石墨烯薄膜，曲邊梯形石墨烯薄膜的左端與矩形石墨烯薄膜和鋸齒形石墨烯薄膜的右端相連，矩形石墨烯薄膜的左端與上弧形石墨烯薄膜的右端相連，鋸齒形石墨烯薄膜的左端與下弧形石墨烯薄膜相連，上弧形石墨烯薄膜的左端設(shè)有信號(hào)輸入端，下弧形石墨烯薄膜的左端設(shè)有第二信號(hào)輸出端，曲邊梯形石墨烯薄膜的右端設(shè)有第一信號(hào)輸出端；在無(wú)外加偏壓時(shí)，太赫茲信號(hào)從信號(hào)輸入端輸入，從第一信號(hào)輸出端輸出。基底層與石墨烯薄膜分別連接直流電源的兩極時(shí)，太赫茲波從信號(hào)輸入端輸入，從第二信號(hào)輸出端輸出，實(shí)現(xiàn)路由功能。

所述的基底層的材料為P型硅材料，長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的二氧化硅層的長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的曲邊梯形石墨烯薄膜由一個(gè)曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個(gè)橫向矩形石墨烯薄膜組成，其中曲邊梯形石墨烯薄膜的上底長(zhǎng)度為3～4μm，下底長(zhǎng)度為5～7μm，高度為4～6μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長(zhǎng)度為5～8μm，寬度為3～4μm。所述的矩形石墨烯薄膜的長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm。所述的鋸齒形石墨烯薄膜上下各等距離分布八個(gè)形狀大小均相同的矩形開槽，其中鋸齒形石墨烯薄膜的總長(zhǎng)度(該單元整體在長(zhǎng)度方向兩側(cè)邊緣的間距，下同)為9～13μm，總寬度(該單元整體在寬度方向兩側(cè)邊緣的間距，下同)為4～6μm，矩形開槽的長(zhǎng)度為1～1.5μm，寬度為1～1.5μm，間距為1～1.5μm。所述的上弧形石墨烯薄膜和下弧形石墨烯薄膜的形狀大小均相同，總長(zhǎng)度為12～15μm，總寬度為2～3μm。

附圖說(shuō)明：

圖1是基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器的俯視；

圖3為第一信號(hào)輸出端輸出功率曲線；

圖4為第二信號(hào)輸出端輸出功率曲線。

具體實(shí)施方式

如圖1～2所示，基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器包括基底層1、二氧化硅層2、曲邊梯形石墨烯薄膜3、矩形石墨烯薄膜4、鋸齒形石墨烯薄膜5、上弧形石墨烯薄膜6、下弧形石墨烯薄膜7、信號(hào)輸入端8、第一信號(hào)輸出端9、第二信號(hào)輸出端10；基底層1的上層為二氧化硅層2，二氧化硅層2的上層鋪有曲邊梯形石墨烯薄膜3、矩形石墨烯薄膜4、鋸齒形石墨烯薄膜5、上弧形石墨烯薄膜6、下弧形石墨烯薄膜7，曲邊梯形石墨烯薄膜3的左端與矩形石墨烯薄膜4和鋸齒形石墨烯薄膜5的右端相連，矩形石墨烯薄膜4的左端與上弧形石墨烯薄膜6的右端相連，鋸齒形石墨烯薄膜5的左端與下弧形石墨烯薄膜7相連，上弧形石墨烯薄膜6的左端設(shè)有信號(hào)輸入端8，下弧形石墨烯薄膜7的左端設(shè)有第二信號(hào)輸出端10，曲邊梯形石墨烯薄膜3的右端設(shè)有第一信號(hào)輸出端9；當(dāng)無(wú)外加電壓時(shí)，太赫茲信號(hào)從信號(hào)輸入端8輸入，從第一信號(hào)輸出端9輸出?；讓?與石墨烯薄膜之間可加載偏置直流電源電壓時(shí)，太赫茲波從信號(hào)輸入端8輸入，從第二信號(hào)輸出端10輸出，實(shí)現(xiàn)路由功能。

所述的基底層1的材料為P型硅材料，長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的二氧化硅層2的長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的曲邊梯形石墨烯薄膜3由一個(gè)曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個(gè)橫向矩形石墨烯薄膜組成，其中曲邊梯形石墨烯薄膜的上底長(zhǎng)度為3～4μm，與橫向矩形石墨烯薄膜的側(cè)邊相連，曲邊梯形石墨烯薄膜的下底長(zhǎng)度為5～7μm，高度為4～6μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長(zhǎng)度為5～8μm，寬度為3～4μm。所述的矩形石墨烯薄膜4的長(zhǎng)度為29～31μm，寬度為13～15μm。所述的鋸齒形石墨烯薄膜5上下各等距離分布八個(gè)形狀大小均相同的矩形開槽，其中鋸齒形石墨烯薄膜的總長(zhǎng)度為9～13μm，總寬度為4～6μm，矩形開槽的長(zhǎng)度為1～1.5μm，寬度為1～1.5μm，間距為1～1.5μm。所述的上弧形石墨烯薄膜6和下弧形石墨烯薄膜7的形狀大小均相同，總長(zhǎng)度為12～15μm，總寬度為2～3μm。

實(shí)施例1

基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器：

如圖1～2所示，基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器包括基底層1、二氧化硅層2、曲邊梯形石墨烯薄膜3、矩形石墨烯薄膜4、鋸齒形石墨烯薄膜5、上弧形石墨烯薄膜6、下弧形石墨烯薄膜7、信號(hào)輸入端8、第一信號(hào)輸出端9、第二信號(hào)輸出端10；基底層1的上層為二氧化硅層2，二氧化硅層2的上層鋪有曲邊梯形石墨烯薄膜3、矩形石墨烯薄膜4、鋸齒形石墨烯薄膜5、上弧形石墨烯薄膜6、下弧形石墨烯薄膜7，曲邊梯形石墨烯薄膜3的左端與矩形石墨烯薄膜4和鋸齒形石墨烯薄膜5的右端相連，矩形石墨烯薄膜4的左端與上弧形石墨烯薄膜6的右端相連，鋸齒形石墨烯薄膜5的左端與下弧形石墨烯薄膜7相連，上弧形石墨烯薄膜6的左端設(shè)有信號(hào)輸入端8，下弧形石墨烯薄膜7的左端設(shè)有第二信號(hào)輸出端10，曲邊梯形石墨烯薄膜3的右端設(shè)有第一信號(hào)輸出端9；基底層1與各石墨烯薄膜之間連接偏置直流電源兩極，加載偏置直流電源電壓。各元件的參數(shù)和材料如下：

基底層的材料為P型硅材料，長(zhǎng)度為29μm，寬度為13μm，厚度為2μm。二氧化硅層的長(zhǎng)度為29μm，寬度為13μm，厚度為2μm。曲邊梯形石墨烯薄膜由一個(gè)曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個(gè)橫向矩形石墨烯薄膜組成，其中曲邊直角梯形石墨烯薄膜的上底長(zhǎng)度為3μm，下底長(zhǎng)度為5μm，高度為4μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長(zhǎng)度為5μm，寬度為3μm。矩形石墨烯薄膜的長(zhǎng)度為29μm，寬度為13μm。鋸齒形石墨烯薄膜上下各等距離分布八個(gè)形狀大小均相同的矩形開槽，其中鋸齒形石墨烯薄膜的總長(zhǎng)度為9μm，總寬度為4μm，矩形開槽的長(zhǎng)度為1μm，寬度為1μm，間距為1μm。上弧形石墨烯薄膜和下弧形石墨烯薄膜的形狀大小均相同，總長(zhǎng)度為12μm，總寬度為2μm。該基于石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)太赫茲波耦合器的各項(xiàng)性能指標(biāo)采用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行測(cè)試，圖3為第一信號(hào)輸出端輸出功率曲線，可以看到，未加電壓時(shí)，6.12THz～6.32THz范圍內(nèi)的太赫茲波輸出功率在93％～96％之間；加電壓后，在f＝6.216THz時(shí)，太赫茲波輸出功率為6％；圖4為第二信號(hào)輸出端輸出功率曲線，可以看到，未加電壓時(shí)，6.12THz～6.32THz范圍內(nèi)的太赫茲波輸出功率在1.7％～5.5％之間；加電壓后，在f＝6.216THz時(shí)，太赫茲波輸出功率為92％。綜上可以看到，對(duì)于f＝6.216THz的太赫茲波信號(hào)，未加電壓時(shí)，太赫茲波信號(hào)從第一信號(hào)輸出端輸出；加電壓后，太赫茲波從第二信號(hào)輸出端輸出，實(shí)現(xiàn)了路由功能。