[实用新型]基于金属‑石墨烯混合超表面的双功能调制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器。

背景技术

太赫兹波在宽带通信、空间探测、医学诊断等领域具有重要作用。作为二维结构的电磁超表面具有自然界中无法直接获得的电磁特性，在理论逐步完善的基础上，电磁超表面在太赫兹波段的功能性器件方面具有广泛的应用前景，如THz调制器、极化器等。已有工作证明超表面在设计超薄、高性能THz调制器方面具有独特的优越性。然而，这种基于纯金属超表面的调制器必须通过改变调制器的结构参数来或者改变可调部件的材料特性来实现对电磁波的调制功能，实现功能单一。同时金属的大面积使用使得工作在太赫兹频段的调制器存在如调制速率低、调制深度小等缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的是现有基于纯金属超表面的调制器存在功能单一、调制速率低和调制深度小的问题，提供一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，由单晶硅衬底层、二氧化硅基底层和金属-石墨烯混合超表面层组成；二氧化硅基底层叠置于单晶硅衬底层之上，金属-石墨烯混合超表面层叠置于二氧化硅基底层之上；上述金属 -石墨烯混合超表面由位于下层的石墨烯结构层和位于上层的金属带状线结构层组成；石墨烯结构层包括2个以上的石墨烯单元；每个石墨烯单元包括 1个环形的石墨烯环，该石墨烯环上开设有2个横向对称设置的微型缝隙开口，这2个微型缝隙开口将上述石墨烯环分割为2个纵向对称设置的上凸石墨烯环和下凹石墨烯环；每个石墨烯单元的结构参数相同；所有的石墨烯单元在二氧化硅基底层上呈规则矩阵排列；金属带状线结构层包括2条以上的金属带状线；每条金属带状线均为长条状；金属带状线的数量与石墨烯结构层的列数相同，每条金属带状线纵向延伸并覆盖在石墨烯结构层对应列的所有石墨烯单元上；所有金属带状线在石墨烯结构层上呈平行排列。

上述方案中，每条金属带状线与所覆盖列上的石墨烯单元的横向对称轴线垂直。

上述方案中，每条金属带状线与所覆盖列上的石墨烯单元的纵向对称轴线重合。

上述方案中，每个石墨烯单元的石墨烯环为正方环形；此时，上凸石墨烯环为倒U形，下凹石墨烯环为正U形。

上述双功能调制器在使用时，还进一步包括外置直流偏置电压源；该外置直流偏置电压源的一端与金属带状线结构层的金属带状线相连，另一端与单晶硅衬底层相连。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1.对于不同频段，可以通过调整石墨烯的偏置电压和结构尺寸来调节调制工作频率；

2.利用金属-石墨烯超表面避免整块石墨烯片的使用对调制器调制深度与调制速率的影响；

3.利用金属-石墨烯超表面能够在保证调制器调制性能情况下，可以根据激励场与阵列的相对方向变化实现两种模式电磁波的调控，即实现双功能。

附图说明

图1为一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器的立体结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为单个金属-石墨烯混合超表面单元及石墨烯偏压加载方式示意图。

图4为一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器仿真数据图，其中图4(a)为激励场电场方向与金属带状线方向垂直；图4(b)为激励场电场方向与金属带状线方向平行。

图中标号：1、金属带状线；2、石墨烯单元；2-1、上凸石墨烯环；2-2、下凹石墨烯环；2-3、微型缝隙开口；3、二氧化硅基底层；4、单晶硅衬底层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“横向”、“纵向”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，如图1-3所示，由单晶硅衬底层4、二氧化硅基底层3和金属-石墨烯混合超表面层组成；二氧化硅基底层3叠置于单晶硅衬底层4之上，金属-石墨烯混合超表面层叠置于二氧化硅基底层3之上。二氧化硅基底层3的厚度对调制器的带宽与谐振频率有一定影响，其一般不超过300nm，该参数由表面波沿垂直于二氧化硅的衰减系数确定。