基于石墨烯超表面的太赫兹波开关转换器

本申请为一种基于石墨烯超表面的太赫兹波开关转换器，属于石墨烯材料在太赫兹波段开关转换器的应用领域。

背景技术：

太赫兹波是频率在0.1-10thz范围内的电磁波，由于其相比于其他波段的电磁波具有多种独特的优越性，例如其一方面由于光子能量较低，另一方面由于具有较高的穿透性等优点，因此其在生物、医疗和安检等方向上有众多的应用，但是由于一些传统的金属传输器件以及波导等具有较大的金属损耗和不可调制特性，因此在对太赫兹波的有效利用和调制等方面提出了更高的要求。最近，研究者发现在太赫兹超表面的其中一个分支电磁诱导透明的研究中，该特性的频谱曲线同时具有高透射的峰值曲线和两边的低谐振点，我们可以利用该曲线的特性，可以实现一个开关转换器的设计。

电磁超材料打破了传统材料的固有属性，可以实现天然材料难以实现的电磁性能，例如负的介电常数和负磁导率，该特性可以有效的为人们在微纳尺寸上调控电磁波提供有效的手段。

由于传统金属材料的损耗性和不可调制性，科学家们将着重点转移到易重构、易调节的材料上，石墨烯就是其中一种。石墨烯凭借着其低损耗、超高的载流子浓度、和极强的光学非线性效应等特点，迅速引起各学科学者的高度兴趣。石墨烯可以利用偏置电压改变石墨烯表面的载流子浓度，从而可以实现对入射电磁波实现一个可调节作用。这在光学传感器、调制器等领域中有重要的研究意义。随着石墨烯加工技术的日益成熟，例如cvd法，这也加快人们对石墨烯超表面的构造。

等离子体诱导透明效应有时也被称类eit效应。对于传统的电磁诱导透明概念是：一定频率的光束被特定的介质接近完全吸收，而当另一束能被介质吸收的光束加入后第一束光就不再被介质吸收了。在物质和光相互作用过程中，假如物质的原子中随便两个能级间能级差恰好等于光波的频率，那么这个频率的光射到物质上会被物质吸收。在该专利设计的新型结构利用了上下两层石墨烯之间的相位耦合来实现等离子诱导透明，利用石墨烯的可调技术，对等离子诱导透明频谱曲线的灵活调控，实现太赫兹波开关转换器的功能实现。

技术实现要素：

一种基于石墨烯超表面的太赫兹波开关转换器，其特征在于，该结构共有三层组成，分别是中间的介质层，顶层和底层的镂空十字形石墨烯层；顶层镂空十字形石墨烯层和底层镂空十字形石墨烯层的纵向长度、横向长度均不同，镂空宽度相同。

优选的，二氧化硅的厚度h＝0.7um。

优选的，上层镂空石墨烯十字形线条的纵向长度l1＝1.6um，横向长度l2＝1.3um,镂空宽度w＝0.16um；下层镂空石墨烯十字形线条纵向长度l3＝2um，横向长度l4＝1.6um,镂空宽度w＝0.16um；单元结构的长和宽dx＝dy＝2um。

本发明的目的在于在传统的等离子诱导透明(pit)效应的应用中，大部分集中在慢光器件、光学滤波器上。在该专利结构实现的功能上，通过对上下两层石墨烯外置偏压的改变，可以实现不同等离子透明曲线转换，从而实现对太赫兹波透射率从高到低的快速变化，为等离子诱导透明的相关研究提供更多的应用。

该结构中间层设置为介电常数为3.9的介质层，厚度为h，在介质层上下两层铺上十字镂空石墨烯。

该结构上层和下层镂空石墨烯层之间虽然几何中心和线条宽度一致，但是线条长度并不一样，并且上下层镂空石墨烯层都可以产生一个谐振点，我们通过将上下两层石墨烯层之间的相位耦合，可以实现两个谐振点之间的弱耦合，从而产生透明窗口。与传统明暗模式之间的耦合不同，该结构是通过亮亮模式产生透明窗口，从而产生可调制曲线。

接下来介绍该发明实现的功能特性，由以上的介绍可以知道，石墨烯可以利用外置电压调节石墨烯的费米能级，通过费米能级的变化改变载流子的浓度，因此我们以费米能级为变量，设置石墨烯的载流子浓度，从而对结构的传输特性进行调制，在该结构中，最重要的特性是在实现等离子诱导透明的基础上，由于上下两层石墨烯层外置电压相同，所以通过同时改变上下层之间的费米能级，曲线在频谱上实现一个很好的平移，在合适的调制下，两个曲线透射峰值和谷值在一定范围内重合，从而实现对太赫兹波开关的调制功能。

为使阐述该方案的优点、特征等，下文通过具体实施方案和图文解释进行说明。

附图说明

图1为该转换器单元结构图。

图2为该转换器单元结构上层石墨烯和下层石墨烯结构示意图。

图3为该转换器上下层石墨烯分别仿真和双层石墨烯层结合仿真图。

图4为该转换器石墨烯调控实现太赫兹波频谱开关转换图。

图5为该转换器石墨烯调控实现太赫兹波频谱开关示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细阐述本申请的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种基于太赫兹频段的石墨烯超表面的结构示意图：包括标记1-上层十字镂空石墨烯层，2-介电常数为3.9的介质层，3-下层十字镂空石墨烯层，从图3中可以看出入射电磁波可以分别和上下层石墨烯相互作用，将双层石墨烯结合在一起，可以实现具有高透射透明窗口的传输曲线。

本发明主要在基于等离子诱导透明的理论上，结合石墨烯的调节性能，对等离子诱导透明在频谱上进行一个动态的调节。因为再我们对结构的研究中发现，在两个谐振点处的结构电场截面分布中，上下两层石墨烯层在不同谐振模式下形成的电场分布是不一样的，一个为上下层石墨烯电场同相分布，一个为反相分布，正是由于这个原因，所以才形成电磁诱导透明效应。

该结构选择石墨烯作为调制主要原因是利用石墨烯材料的低吸收、稳定性好、方便用电压调节等特性。通过对石墨烯添加偏置电压，从而可以通过调节费米能级来改变石墨烯的载流子浓度，这样就可以对结构的传输特性进行一个动态的调节。石墨烯的具体制作方法是氧化还原法，通过将制作好的石墨烯片进行光刻，分别制作出不同镂空十字形的石墨烯片，再在石墨烯片上涂离子凝胶层。这种方法可以通过门控电压对电极-石墨烯结构进行费米能级的调控。

附图3所示，为了满足对单层石墨烯的实验测试，我们分别对上层石墨烯和下层石墨烯进行分别仿真，发现单层镂空石墨烯的谐振频率分别是9.22和11.38thz，将两层石墨烯和在一起时，由于相位的近场耦合，实现92.4％的高透射率。

附图4所示，为了满足显示该结构对太赫兹波的开关转换，我们先将上层和下层石墨烯的费米能级设为0.69ev，可以发现在频谱上实现一个高透射的等离子诱导透明曲线，再将费米能级设为0.88ev，可以发现透射曲线的幅值改变很少，只是在频谱上进行一个平移，并且在8.9thz和9.9thz频率附近一定区间内实现两个由高透射到低透射的一个转换。

附图5所示，为了满足该结构对太赫兹波的开关转换，我们设计了两个开和关的状态on和off，在曲线的透射率大于90％时我们定义为on，在透射率小于10％我们定义为off状态。从图中二维曲线可以看出对横坐标进行变化时，纵坐标的状态可以进行一个开关的变换，从而实现我们对太赫兹波开关转换器的设计。

本申请虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本申请技术方案的保护范围。