[发明专利]一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器

说明书

技术领域

本发明涉及调制放大器技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器。

背景技术

太赫兹波（THz）介于微波与红外波之间，被称为“太赫兹空隙”，在短距离无线通信、生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测以及非破坏式探测等方面均具有潜在的应用，其独特的优越性已普遍被认识。推动THz技术进一步的发展和实际应用，不仅需要很好地解决可靠稳定的THz源、高灵敏高信噪比的THz探测器，同时还需要提供高性能、高集成度、廉价的太赫兹功能器件，如THz调制、开关、滤波、分束、偏振等新型功能器件。然而，与微波和光波段不同，绝大多数自然物质对太赫兹波缺乏有效响应，已有电子器件和光学器件也很难直接对太赫兹传输进行控制。因此，目前一个很大的瓶颈问题是缺乏有效的材料和器件来操控太赫兹波，这严重制约了太赫兹技术向实用化方向发展，成为太赫兹领域亟待解决的关键问题之一。

在未来THz应用中，宽带高速，小型化且调制效率高的THz调制器是必不可少的。科技工作者一直在通过寻找新型材料，设计新型器件结构来实现对太赫兹波的调制，以满足未来太赫兹测量系统和太赫兹通信发展的需要。

目前国际上对THz调制器的研究工作主要集中于：

（1）AlGaAs/GaAs结构，此种THz调制器最大调制深度为6%；

（2）基于超材料结构的THz调制器，但此种调制器本质上是窄带的；

（3）基于石墨烯材料THz体调制器，B.Sensale-Rodriguez等人进行的石墨烯基太赫兹调制器的研究，该调制器调制深度大于90%，同时最小信号损耗小于5%；到2012年，B.Sensale-Rodriguez等人研究了一种电控的石墨烯调制器，其理想调制深度达到100%，信号损耗低于15%。该类型THz调制器具有高速宽带的优点，但是不能实现对THz模式的控制。

2004年英国曼切斯特大学A.Geim研究组用剥离方法首先发现石墨烯（graphene）。它是继零维富勒烯、一维碳纳米管之后所发现的另一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单晶功能材料。虽然石墨烯的发现不过几年，但它所具有的特殊空间结构、显著的量子尺寸效应引起了人们的强烈关注。由于石墨烯独特的零带隙能带结构，室温下电子的超高迁移率，近弹道输运的电子性质，低于铜和银的电阻率，高导热性等特点，从晶体管，化学传感器到纳米机电器件，复合材料等领域有着很大的应用潜力；由于其独特的光吸收特性，石墨烯在光电器件上的应用逐渐被人们发觉，并被认为是最具潜力的应用方向之一。研究表明，通过改变石墨烯中的费米能级，调节带内电子空穴态密度，进而调节太赫兹波的通过率，因此石墨烯可以作为制作太赫兹波调制器的理想材料。

国际上对于石墨烯应用于THz调制器的研究刚刚起步，2011年才开始有文章陆续发表，主要的研究工作是利用调节石墨烯中的费米能级，调节在太赫兹波照射情况下适合带内传输的电子空穴态密度，通过调节太赫兹波的通过率，完成对太赫兹波的调制。国际上已经报道利用石墨烯和波导结构用于光学频段（通信频段1550nm）的调制器，但尚未见到利用石墨烯和波导结构实现对THz波的调制相关文章。由于目前大部分THz信号功率较低，传输损耗较大,THz信号的放大也极为重要。已有研究表明，石墨烯材料在适当的光学泵浦条件下，可以实现对THz波的放大功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，所述调制放大器可以实现对THz波的调制，同时实现对THz波的放大。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于石墨烯波导结构的太赫兹调制放大器，其特征在于包括衬底、波导芯层、两个欧姆接触电极、石墨烯层和绝缘介质层，所述波导芯层位于所述衬底上表面的中部，所述波导芯层的上面和左右侧面设有两个以上石墨烯层，每相邻的两个石墨烯层之间使用绝缘介质层进行电学隔离，两个欧姆接触电极位于所述波导芯层左右两侧的衬底上，最上层石墨烯层和最下层石墨烯层分别与一个欧姆接触电极相连。

优选的：所述波导芯层在THz波段的吸收系数                                                。

优选的：衬底在THz波段的折射率大于波导芯层在THz波段的折射率，衬底的厚度大于三倍波导芯层的厚度。

优选的：所述衬底为二氧化硅，所述波导芯层为硅，所述绝缘介质层为氧化铝。