基于石墨烯微纳结构的太赫兹辐射调制研究

发布时间：2020-03-20 00:35

【摘要】：太赫兹技术在通信、雷达、成像、检测、生物医疗等领域拥有广泛的应用前景。太赫兹波调制器是关键器件之一,太赫兹调制器性能的优劣对太赫兹技术的发展有着极大的影响,调制深度是表征太赫兹调制器性能的重要指标之一。本文从电调控单层石墨烯太赫兹调制器入手,在电调控单层石墨烯太赫兹调制器中加入亚波长金属微纳结构,对太赫兹调制器的调制能力进行了研究。利用电磁波透过金属微纳结构时会产生异常透射现象,产生局域增强电场增强结构附近的相互作用效果。在单层微纳结构石墨烯太赫兹调制器结构模型的基础上优化出一种双层微纳结构层石墨烯太赫兹调制器模型。利用不同形状尺寸的金属微纳结构可分别提供一个共振频带的理论,建立了双微纳结构层石墨烯太赫兹调制器模型。以半导体集成电路加工工艺为基础,实验制作了双微纳结构层石墨烯太赫兹调制器,经太赫兹时域光谱系统测试,在0.54THz处获得的调制深度为33.7%,在1.1THz处获得的调制深度为37.4%。双微纳结构层石墨烯太赫兹调制器与单层微纳结构增强型石墨烯太赫兹调制器相比增加了一个调制频带,调制深度提高了约10%。调制器的调制效果受衬底层厚度、石墨烯层质量、两层微纳结构间的对准精度等因素影响。
【图文】：

电磁波谱

第一章绪论太赫兹及应用太赫兹波是指频率在 0.1THz~10THz 范围内、波长大约在 30μm 到 3mm 之间。在电磁波谱中太赫兹波段处于微波波段与红外波段之间的位置，此处是宏论向微观量子理论过渡的区域，也是电子学向光子学过渡的区域。太赫兹波速率快、通信容量高、信噪比高、脉冲频带范围宽、对不同的物质有不同的透或反射规律、光子的能量低等性质[1-4]。从 20 世纪 80 年代中后期开始，太赫及相匹配的探测器日趋成熟，太赫兹技术从此进入了迅速发展的阶段[5-10]。

模型图,调控结构,电压,模型

在过去的研究阶段，太赫兹发生源及相匹配的探测器的研究日趋成熟，促进太赫兹技术发展的关键逐渐向寻找有效的太赫兹调制器件方向发展。调制是为了将要发送的信息，如无线电报、音频信号、视频信号、无线电广播信号等附加在载波或信号的某种特征上[24]。载波或信号普遍具有周期性的变化规律，特征包括相位、频率或振幅等。调制方式根据器件结构有所不同，以电控调制和光控调制为主[25]。最初的太赫兹调制器主要采用传统半导体材料，利用半导体电导率的变化来实现对太赫兹波的调控。Kleine-Ostmann 等人采用 AlGaAs/GaAs 材料对太赫兹进行调制得到了 3%~6%的调制深度[26,27]。石墨烯是近年来研究较多的一种新型太赫兹调制器材料。2012年Sensale-Rodriguez等人第一次研究出透射式电控石墨烯太赫兹调制器[28]。器件采用透射式结构，太赫兹波依次穿过石墨烯层、介质层及衬底层，如图 1.2（a）所示。基于大面积类场效应管结构，通过在石墨烯层与硅基底层间施加电压的方式，使石墨烯内的载流子产生定向移动，，此时石墨烯的费米能级发生偏移，远离狄拉克点，吸收光子产生带内跃迁，改变石墨烯的电导率，实现对太赫兹波的调制。电控石墨烯太赫兹调制器的调制深度在0.57THz 处达到了 15%，调制速率可达 20kHz。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441

【参考文献】