四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关。它包括信号输入端、信号输出端、对称石墨烯结构层、二氧化硅层、P型硅基底；P型硅基底上表面设有四个T形凹槽，P型硅基底的上方为二氧化硅层，二氧化硅层的上方为对称石墨烯结构层，太赫兹表面波信号从信号输入端输入，沿着对称石墨烯结构层的表面传播，最后从信号输出端输出，通过调节施加在对称石墨烯结构层与P型硅基底的偏置直流电压，调节石墨烯的有效模式折射率，从而实现太赫兹信号的通断。本实用新型具有结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，调制速度快，调制效率高等优点。
【专利说明】四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太赫兹波开关，尤其涉及一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关。
【背景技术】
[0002]太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1THz?1THz范围内的电磁波，它处于电子学向光子学过渡的领域，集成了微波通信与光通信的优点:首先太赫兹波通信能够获得比微波通信大得多的带宽，能有效解决日益严峻的频带资源短缺的问题。另外太赫兹波具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等物质，解决了光通信在烟尘等恶劣环境中的局限。太赫兹波的传输特性决定了太赫兹波可以应用于无线通信。另外太赫兹雷达分辨率高，可成为未来的高精度雷达发展方向。日益发展的太赫兹波技术在天文、生物医学、安全及环境监测、成像、宽带无线通信和雷达等方面均具有重大的科学价值和广阔的应用前景，其中太赫兹波通信技术具有毫米波通信及光通信的特性，可以应用于室内局域网通信等方面。国际上关于太赫兹波的研宄机构大量涌现，并取得了很多研宄成果，太赫兹技术仍将是未来很长一段时间世界范围内广泛研宄的热点。
[0003]太赫兹波通信系统离不开各种太赫兹波功能器件的性能保障。虽然国内外对于太赫兹波功能器件的研宄虽然已经逐渐展开，但是太赫兹波功能器件作为太赫兹波科学技术应用中的重点和难点，相比太赫兹波产生和检测装置及太赫兹波传输波导的快速发展，仍然需要投入大量的人力和物力进行深入的探索和研宄。对太赫兹波开关进行研宄对于促进太赫兹波功能器件的研宄有不可或缺的重要意义。太赫兹波开关是一种非常重要的太赫兹波器件，用于控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断。目前国内外很多科研机构都致力于这方面的研宄并取得了一定的进展，但是很少有相关报道。现有的太赫兹波开关往往结构复杂、体积较大并且价格昂贵，小型化、低成本的太赫兹波器件是太赫兹波技术应用的关键，因此有必要设计一种结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，调制速度快，调制效率太赫兹波开关以满足未来太赫兹波技术应用需要。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，技术方案如下:
[0005]四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关包括信号输入端、信号输出端、对称石墨烯结构层、二氧化硅层、P型硅基底；P型硅基底上表面设有四个T形凹槽，P型硅基底的上方为二氧化硅层，二氧化硅层的上方为对称石墨烯结构层，对称石墨烯结构层由矩形石墨烯片、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形石墨烯片组成，其中第一 T形石墨烯片的下端与矩形石墨烯片的左侧上端相连，第二 T形石墨烯片的下端与矩形石墨烯片的右侧上端相连，第一 T形石墨烯片、第二 T形石墨烯片关于矩形石墨烯片与第三T形石墨烯片、第四T形石墨烯片对称，对称石墨烯结构层的左端和右端分别设有信号输入端、信号输出端，对称石墨稀结构层的左端与二氧化娃层的左端相连，对称石墨稀结构层的右端与二氧化硅层的右端相连，太赫兹表面波信号从信号输入端输入，沿着对称石墨烯结构层的表面传播，最后从信号输出端输出，通过调节施加在对称石墨烯结构层与P型硅基底的偏置直流电压，调节石墨烯的有效模式折射率，从而实现太赫兹信号的通断。
[0006]所述的对称石墨烯结构层为单层石墨烯片材料。所述的矩形石墨烯片的长度为22.4 μπι?22.6 μ m,宽度为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，均由一个大矩形石墨烯片与小矩形石墨烯片组成，大矩形石墨烯片的长度均为7.1 μ m?7.3 μ m，宽度均为5.7 μ m?5.9 μπι,小矩形石墨稀片的长度为2.2 μπι?2.4 μπι，宽度为1.7 μπι?1.9 μπι，大矩形石墨烯片对应的中心线与小矩形石墨烯片对应的中心线重合，第一 T形石墨烯片与第二 T形石墨稀片最近处的距离为1.7 μπι?1.9 μπι。所述的二氧化娃层的长度为22.4 μπι?22.6 μ m，宽度为20.2 μ m?20.4 μ m，厚度为200 μ m?400 μ m。所述的P型娃基底的长度为22.4 μ m?22.6 μ m，宽度为20.2 μ m?20.4 μ m，厚度为200 μ m?400 μ m。所述的四个T形凹槽的底面尺寸与相对位置与第一 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，开槽厚度为100 μπι?200 μπι。
[0007]本实用新型具有结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，调制速度快，调制效率高等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关的立体结构图；
[0009]图2是对称石墨烯结构层的结构图；
[0010]图3是P型硅基底的俯视图；
[0011]图4是开关在.7ΤΗζ导通时的表面电场强度分布图；
[0012]图5是开关在HHz未完全导通时的表面电场强度分布图；
[0013]图6是开关在7ΤΗζ断开时的表面电场强度分布图；
[0014]图7是开关在7ΤΗζ的响应时间曲线图；
[0015]图8是开关在6.97ΤΗζ?7.03ΤΗζ的消光比。
【具体实施方式】
[0016]如图1?3所示，四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关包括信号输入端1、信号输出端2、对称石墨烯结构层3、二氧化硅层4、P型硅基底5 ;Ρ型硅基底5上表面设有四个T形凹槽6，P型硅基底5的上方为二氧化硅层4，二氧化硅层4的上方为对称石墨烯结构层3，对称石墨烯结构层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组成，其中第一 T形石墨烯片8的下端与矩形石墨烯片7的左侧上端相连，第二 T形石墨烯片9的下端与矩形石墨烯片7的右侧上端相连，第一 T形石墨烯片8、第二 T形石墨烯片9关于矩形石墨烯片7与第三T形石墨烯片10、第四T形石墨烯片11对称，对称石墨烯结构层3的左端和右端分别设有信号输入端1、信号输出端2，对称石墨烯结构层3的左端与二氧化硅层4的左端相连，对称石墨烯结构层3的右端与二氧化硅层4的右端相连，太赫兹表面波信号从信号输入端I输入，沿着对称石墨烯结构层3的表面传播，最后从信号输出端2输出，通过调节施加在对称石墨烯结构层3与P型硅基底5的偏置直流电压，调节石墨烯的有效模式折射率，从而实现太赫兹信号的通断。
[0017]所述的对称石墨烯结构层3为单层石墨烯片材料。所述的矩形石墨烯片7的长度为22.4 μ m?22.6 μ m，宽度为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，均由一个大矩形石墨烯片与小矩形石墨烯片组成，大矩形石墨烯片的长度均为7.1 μπι?7.3 μπι，宽度均为5.7 μ m?5.9 μ m，小矩形石墨稀片的长度为2.2 μ m?2.4 μ m，宽度为1.7 μ m?1.9 μ m，大矩形石墨烯片对应的中心线与小矩形石墨烯片对应的中心线重合，第一 T形石墨烯片8与第二 T形石墨稀片9最近处的距离为1.7 μπι?1.9 μπι。所述的二氧化娃层4的长度为22.4 μ m?22.6 μ m，宽度为20.2 μ m?20.4 μ m，厚度为200 μ m?400 μ m。所述的P型硅基底5的长度为22.4 μ m?22.6 μ m，宽度为20.2 μ m?20.4 μ m，厚度为200 μ m?400 μ m。所述的四个T形凹槽6的底面尺寸与相对位置与第一 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，开槽厚度为100 μπι?200 μπι。
[0018]实施例1
[0019]四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关:
[0020]对称石墨烯结构层为单层石墨烯片材料。矩形石墨烯片的长度为22.5 μπι，宽度为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，均由一个大矩形石墨烯片与小矩形石墨烯片组成，大矩形石墨烯片的长度均为7.2 μ m，宽度均为5.8 μ m，小矩形石墨稀片的长度为2.3 μ m，宽度为1.8 μ m，大矩形石墨烯片对应的中心线与小矩形石墨烯片对应的中心线重合，第一 T形石墨烯片与第二 T形石墨稀片最近处的距离为1.8 μπι。二氧化娃层的长度为22.5 μπι,宽度为20.3 μπι，厚度为300 ymo P型硅基底的长度为22.5 μ m，宽度为20.3 μ m，厚度为300 μ m。四个T形凹槽的底面尺寸与相对位置与第一 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，开槽厚度为150 μπι。四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试，所得开关在1ZTHz频率点导通时、未完全导通时和断开时的表面电场强度分别如附图4、图5和图6所示，由图可见通过调节石墨烯的模式有效折射率实现良好的太赫兹信号的通断。图7所示为开关在7THz的响应时间曲线图，由图可得，开关的调制时间在毫秒数量级。图8所示为开关在6.97THz?7.03THz的消光比，由图8可得，开关在7THz频率点具有24.97dB的消光比。
【权利要求】
1.一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于包括信号输入端(1)、信号输出端(2^对称石墨烯结构层(3^二氧化硅层(4)、？型硅基底(5) ；？型硅基底(5)上表面设有四个I形凹槽出)，？型硅基底(5)的上方为二氧化硅层(4), 二氧化硅层(4)的上方为对称石墨烯结构层(3),对称石墨烯结构层(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)组成，其中第一 I形石墨烯片(8)的下端与矩形石墨烯片(7)的左侧上端相连，第二 I形石墨烯片(9)的下端与矩形石墨烯片(7)的右侧上端相连，第一 I形石墨烯片(8)、第二 I形石墨烯片(9)关于矩形石墨烯片⑵与第三I形石墨烯片(10)、第四I形石墨烯片(11)对称，对称石墨烯结构层(3)的左端和右端分别设有信号输入端(1)、信号输出端(2),对称石墨烯结构层(3)的左端与二氧化硅层(4)的左端相连，对称石墨烯结构层(3)的右端与二氧化硅层(4)的右端相连，太赫兹表面波信号从信号输入端(1)输入，沿着对称石墨烯结构层(3)的表面传播，最后从信号输出端(2)输出，通过调节施加在对称石墨烯结构层(3)与？型硅基底(5)的偏置直流电压，调节石墨烯的有效模式折射率，从而实现太赫兹信号的通断。
2.如权利要求1所述的一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于所述的对称石墨烯结构层(3)为单层石墨烯片材料。
3.如权利要求1所述的一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于所述的矩形石墨稀片(7)的长度为22.4 VIII?22.6 VIII，宽度为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，均由一个大矩形石墨烯片与小矩形石墨烯片组成，大矩形石墨烯片的长度均为7.1 V III?7.3 V III，宽度均为5.7 VIII?5.9 VIII，小矩形石墨稀片的长度为2.2 V III?2.4 V！！！，宽度为1.7 V！！！?1.9 V！！！，大矩形石墨烯片对应的中心线与小矩形石墨烯片对应的中心线重合，第一 I形石墨烯片(8)与第二 I形石墨烯片(9)最近处的距离为1.7 0！！！?1.9 卩 1X1。
4.如权利要求1所述的一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于所述的二氧化硅层⑷的长度为22.4 VIII?22.6 VIII，宽度为20.2 VIII?20.4 VIII，厚度为200 卩 III ?400 卩 III。
5.如权利要求1所述的一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于所述的？型娃基底(5)的长度为22.4 VIII?22.6 V111，宽度为20.2 V111?20.4 V111，厚度为200 V111?400卩爪。
6.如权利要求1所述的一种四矩形石墨烯腔结构的太赫兹波开关，其特征在于所述的四个I形凹槽(6)的底面尺寸与相对位置与第一 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，开槽厚度为100 0
【文档编号】H01P1/10GK204166232SQ201420683338
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】邹欢清, 裘国华 申请人:中国计量学院