基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关及控制方法。本发明采用多层石墨烯阵列，多层石墨烯阵列具有不同的共振吸收峰，从而获得更宽的吸收带宽；并通过改变偏置电压调节石墨烯阵列的共振吸收频率，从而控制输出波相应频率的通断，实现开关功能；由于石墨烯的高电子迁移率特性，本发明具有较快的切换速度；采取电调谐的方式切换开关的ON/OFF态，本发明操作简单、能耗低；工作在太赫兹频段，扩宽了太赫兹器件的应用范围；通过改变石墨烯阵列的石墨烯单元的有效长度，本发明的太赫兹开关适用于输入波和输出波为太赫兹波、微波、红外以及可见光。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹开关，具体涉及一种基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关及控制方法。

背景技术

光开关作为信道切换装置，在光通信网络中发挥了重要的作用。传统光开关的原理主要是利用材料折射率的变化，并通过设计Y分支、马赫-曾德(Mach-Zehnder)结构以及定向耦合器等结构来实现。随着信息量的增长，传统光开关的切换速度已经渐渐无法满足需求，迫切需要具有更快切换速度的新型光开关。近年来，石墨烯作为一种具有良好光电特性的新型二维材料得到了广泛的研究。石墨烯具有很高的载流子迁移率，为实现具有极快切换速度的光开关提供了可能。

目前，有研究提出了基于石墨烯的新型光开关[Dabidian N.,et al.ElectricalSwitching of Infrared Light Using Graphene Integration with Plasmonic FanoResonant Metasurfaces[J].ACS Photonics,2015,2,216-27]。这种光开关主要利用了石墨烯具有可调谐的特性。石墨烯在不同的外加电压下具有不同的载流子浓度，进而对电磁信号有不同的吸收效率。基于这种可调谐的吸收特性，获得区别于传统折射率变化方式的光空分切换功能。然而这种石墨烯开关存在一定的局限性，主要表现在工作带宽比较窄，对于有一定展宽或者波动的输入信号的容错性不高，影响了其在实际场景中的应用。

发明内容

为了克服以上现有技术中石墨烯开关带宽较窄的不足，本发明提出了一种基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关及控制方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关。

本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关包括：多层石墨烯阵列以及绝缘介质层；其中，多层石墨烯阵列之间互相平行；每相邻的两层石墨烯阵列之间设置绝缘介质层，石墨烯阵列贴在绝缘介质层的表面；每一层石墨烯阵列包括多个石墨烯单元，多个石墨烯单元排列成具有周期性的二维结构；各层石墨烯阵列的石墨烯单元具有不同的有效长度；电磁波垂直输入至多层石墨烯阵列，依次经过多层石墨烯阵列和绝缘介质层后垂直输出；在绝缘介质层的最外层的两个表面施加垂直的偏置电压；石墨烯阵列的共振吸收频率f_r反比于石墨烯单元的有效长度L的开方，由于各层石墨烯阵列的石墨烯单元具有不同的有效长度，从而各层石墨烯阵列具有不同的共振吸收峰，多层石墨烯阵列叠加得到多个不同频率的共振峰，从而获得更宽的吸收带宽；并且，共振吸收频率f_r反比于石墨烯单元的化学势μ_c的开方，通过改变偏置电压改变石墨烯单元的化学势，进而调节石墨烯阵列的共振吸收频率，从而控制相应频率的输入电磁波的通断，实现开关功能。

绝缘介质层采用二氧化硅、聚酰亚胺和环烯烃聚合体树脂中的一种。绝缘介质层的厚度为2～10微米。

每一层石墨烯阵列中的石墨烯单元的厚度为0.6～2纳米，有效长度为1.5～3.5微米。每一层石墨烯阵列包括M×N个石墨烯单元，其中，M和N均为自然数且在50～1000之间。本发明的太赫兹开关，当石墨烯阵列的周期长度为3～30微米时，工作在太赫兹频段。

石墨烯阵列的共振吸收频率f_r与石墨烯单元的有效长度L以及石墨烯单元的化学势μ_c满足如下关系：

通过改变偏置V_app电压改变石墨烯的化学势μ_c，满足如下关系：

其中，ε_r为绝缘介质层的介电常数，ε₀为真空介电常数，e为电子电量，t为绝缘介质层的厚度。

在绝缘介质层的最外层的两个表面分别设置透明的电极，通过电极施加垂直的偏置电压。

通过改变石墨烯阵列的周期长度，本发明的太赫兹开关同样适用于输入波和输出波为微波、红外以及可见光。

本发明的另一个目的在于提供一种基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关的控制方法。

本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关的控制方法，包括以下步骤：

1)电磁波垂直输入至多层石墨烯阵列，依次经过多层石墨烯阵列和绝缘介质层后垂直输出；

2)在绝缘介质层的最外层的两个表面施加垂直的偏置电压；

3)石墨烯阵列的共振吸收频率f_r反比于石墨烯单元的有效长度L的开方，由于各层石墨烯阵列的石墨烯单元具有不同的有效长度，从而各层石墨烯阵列具有不同的共振吸收峰，多层石墨烯阵列叠加得到多个不同频率的共振峰，从而获得更宽的吸收带宽；

4)共振吸收频率f_r反比于石墨烯单元的化学势μ_c的开方，通过改变偏置电压改变石墨烯单元的化学势，进而调节石墨烯阵列的共振吸收频率，从而控制输出的电磁波相应频率的通断，实现开关功能。

其中，在步骤3)中，石墨烯阵列的共振吸收频率f_r与石墨烯单元的有效长度L以及石墨烯单元的化学势μ_c满足如下关系：

在步骤4)中，通过改变偏置V_app电压改变石墨烯的化学势μ_c，满足如下关系：

其中，ε_r为绝缘介质层的介电常数，ε₀为真空介电常数，e为电子电量，t为绝缘介质层的厚度。

本发明的优点：

本发明采用多层石墨烯阵列，多层石墨烯阵列具有不同的共振吸收峰，从而获得更宽的吸收带宽；并通过改变偏置电压调节石墨烯阵列的共振吸收频率，从而控制输出波相应频率的通断，实现开关功能；由于石墨烯的高电子迁移率特性，本发明具有较快的切换速度；采取电调谐的方式切换开关的ON/OFF态，本发明操作简单、能耗低；工作在太赫兹频段，扩宽了太赫兹器件的应用范围；通过改变石墨烯阵列的周期长度，本发明的太赫兹开关同样适用于输入波和输出波为微波、红外以及可见光。

附图说明

图1为本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关在入射电磁波的频率为8.2THz的表面电场分布图；

图3为本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关在入射电磁波的频率为5.3THz的表面电场分布图；

图4为本发明的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关在不同的化学势的透射幅值的结果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于周期性石墨烯结构吸收特性的太赫兹开关包括：两层石墨烯阵列以及绝缘介质层；其中，每一层石墨烯阵列包括多个石墨烯单元，多个石墨烯单元排列成具有周期性的二维结构，两层石墨烯阵列分别贴在绝缘介质层的上表面和下表面；上表面的石墨烯阵列的石墨烯单元为长条形，下表面的石墨烯阵列的石墨烯单元为圆形；电磁波垂直输入至石墨烯阵列，依次经过上表面的石墨烯阵列、绝缘介质层和下表面的石墨烯阵列后垂直输出；在绝缘介质层的最外层的两个表面施加垂直的偏置电压。

本实施例中，绝缘介质层的材料为二氧化硅，长度和宽度均为5微米，厚度为4微米，二氧化硅的折射率为1.46。下表面的石墨烯单元的半径是1微米；上表面的石墨烯单元的长为3微米，宽为1微米。石墨烯的电导率利用Kubo公式进行表征。双层石墨烯开关的各项性能指标采用FDTD Solutions软件进行测试。

本发明主要是利用了石墨烯周期结构的吸收特性。以开关处于开状态为例，两层石墨烯阵列的化学势均为0.65eV。如图2所示，下表面的石墨烯单元为圆形的石墨烯阵列的表面电场分布，可以看到在8.2THz附近，石墨烯阵列形成了共振吸收。

如图3所示，上表面的石墨烯单元为长条形的石墨烯阵列的表面电场分布，石墨烯阵列在5.3THz附近形成了共振吸收。

通过控制石墨烯阵列的偏置电压改变石墨烯阵列的化学势，改变石墨烯阵列的电磁响应特性，从而控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关功能。

图4是太赫兹波开关的传输曲线，当两层石墨烯阵列的化学势均为0.65eV时，整体结构的传输透过率是0.9左右，实现开关开的功能；当下表面的石墨烯单元为圆形的石墨烯阵列的化学势μ_c1为0.4eV，上表面的石墨烯单元为长条形的石墨烯阵列的化学势μ_c2为0.9eV时，整体结构的传输透过率在0.2以下，实现开关关的功能。通过改变偏压可以方便快速地切换开关状态。本发明的太赫兹开关工作范围设定在6.1THz～6.7THz，如图4的工作窗口所示。一般用调制深度(modulation>

MD＝|(T_on-T_off)/T_on|

其中，T_on代表传输的通状态，T_off代表传输的闭状态，本发明的太赫兹开关的调制深度是0.78，在工作带宽内取得了优良的性能。当然，可以依据场景的要求实时调节开关的性能，当对调制深度有较高要求时，可以适当缩短工作频宽降低吸收频带内的透过率实现；而当对工作频宽有较高要求时，可以适当提高吸收频带内的透过率实现。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。