基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器的製作方法

2023-07-07 04:27:46

本發明涉及太赫茲波耦合器，尤其涉及一種基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器。

背景技術：

太赫茲技術是二十世紀80年代末發展起來的一種新技術。太赫茲波獨特的頻率範圍(位於微波頻段和光頻段之間)覆蓋了多數大分子物質的分子振動和轉動光譜，因此多數大分子物質在太赫茲頻段無論其吸收譜、反射譜還是發射譜都具有明顯的指紋譜特性，這一點是微波所不具備的。太赫茲脈衝光源與傳統光源相比具有很多獨特的性質，如：瞬態性、寬帶性、相干性、低能性等，這些特點決定了太赫茲技術在很多基礎研究領域、工業應用領域、醫學領域、通信領域以及生物領域中有相當重要的應用前景。因此太赫茲技術以及太赫茲器件的研究逐漸成為世界範圍內廣泛研究的熱點。

近年來太赫茲技術和應用的發展持續驅動著對太赫茲器件的需求。在過去的二十年裡，對太赫茲器件的研究主要集中在太赫茲的產生和探測上。作為太赫茲通信系統裡的關鍵器件，太赫茲耦合器越來越受到廣泛關注。太赫茲波耦合器是一種將不同波長的輸入太赫茲波的輸出功率衰減進行調節的器件，在實際應用中，可調太赫茲波耦合器是太赫茲通信系統中必不可少的器件之一，因此有必要設計一種結構簡單緊湊，尺寸小，設計原理簡單且性能優良的可調太赫茲波耦合器來滿足未來太赫茲波通信技術應用的需要。

技術實現要素：

本發明為了克服現有技術不足，提供一種基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器包括基底層、二氧化矽層、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、信號輸入端、第一信號輸出端、第二信號輸出端；基底層的上層為二氧化矽層，二氧化矽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有信號輸入端，下弧形石墨烯薄膜的左端設有第二信號輸出端，曲邊梯形石墨烯薄膜的右端設有第一信號輸出端；在無外加偏壓時，太赫茲信號從信號輸入端輸入，從第一信號輸出端輸出。基底層與石墨烯薄膜分別連接直流電源的兩極時，太赫茲波從信號輸入端輸入，從第二信號輸出端輸出，實現路由功能。

所述的基底層的材料為P型矽材料，長度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的二氧化矽層的長度為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曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個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度為3～4μm，下底長度為5～7μm，高度為4～6μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長度為5～8μm，寬度為3～4μm。所述的矩形石墨烯薄膜的長度為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度(該單元整體在長度方向兩側邊緣的間距，下同)為9～13μm，總寬度(該單元整體在寬度方向兩側邊緣的間距，下同)為4～6μm，矩形開槽的長度為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，總長度為12～15μm，總寬度為2～3μm。

附圖說明：

圖1是基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器的三維結構示意圖；

圖2是基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器的俯視；

圖3為第一信號輸出端輸出功率曲線；

圖4為第二信號輸出端輸出功率曲線。

具體實施方式

如圖1～2所示，基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器包括基底層1、二氧化矽層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、信號輸入端8、第一信號輸出端9、第二信號輸出端10；基底層1的上層為二氧化矽層2，二氧化矽層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的左端設有信號輸入端8，下弧形石墨烯薄膜7的左端設有第二信號輸出端10，曲邊梯形石墨烯薄膜3的右端設有第一信號輸出端9；當無外加電壓時，太赫茲信號從信號輸入端8輸入，從第一信號輸出端9輸出。基底層1與石墨烯薄膜之間可加載偏置直流電源電壓時，太赫茲波從信號輸入端8輸入，從第二信號輸出端10輸出，實現路由功能。

所述的基底層1的材料為P型矽材料，長度為29～31μm，寬度為13～15μm，厚度為2～4μm。所述的二氧化矽層2的長度為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由一個曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個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度為3～4μm，與橫向矩形石墨烯薄膜的側邊相連，曲邊梯形石墨烯薄膜的下底長度為5～7μm，高度為4～6μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長度為5～8μm，寬度為3～4μm。所述的矩形石墨烯薄膜4的長度為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度為9～13μm，總寬度為4～6μm，矩形開槽的長度為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，總長度為12～15μm，總寬度為2～3μm。

實施例1

基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器：

如圖1～2所示，基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器包括基底層1、二氧化矽層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、信號輸入端8、第一信號輸出端9、第二信號輸出端10；基底層1的上層為二氧化矽層2，二氧化矽層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的左端設有信號輸入端8，下弧形石墨烯薄膜7的左端設有第二信號輸出端10，曲邊梯形石墨烯薄膜3的右端設有第一信號輸出端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。各元件的參數和材料如下：

基底層的材料為P型矽材料，長度為29μm，寬度為13μm，厚度為2μm。二氧化矽層的長度為29μm，寬度為13μm，厚度為2μm。曲邊梯形石墨烯薄膜由一個曲邊直角梯形石墨烯薄膜與一個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度為3μm，下底長度為5μm，高度為4μm，橫向矩形石墨烯薄膜的長度為5μm，寬度為3μm。矩形石墨烯薄膜的長度為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度為9μm，總寬度為4μm，矩形開槽的長度為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，總長度為12μm，總寬度為2μm。該基於石墨烯薄膜結構太赫茲波耦合器的各項性能指標採用COMSOL Multiphysics軟體進行測試，圖3為第一信號輸出端輸出功率曲線，可以看到，未加電壓時，6.12THz～6.32THz範圍內的太赫茲波輸出功率在93％～96％之間；加電壓後，在f＝6.216THz時，太赫茲波輸出功率為6％；圖4為第二信號輸出端輸出功率曲線，可以看到，未加電壓時，6.12THz～6.32THz範圍內的太赫茲波輸出功率在1.7％～5.5％之間；加電壓後，在f＝6.216THz時，太赫茲波輸出功率為92％。綜上可以看到，對於f＝6.216THz的太赫茲波信號，未加電壓時，太赫茲波信號從第一信號輸出端輸出；加電壓後，太赫茲波從第二信號輸出端輸出，實現了路由功能。