一種基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器的制作方法

本發明涉及太赫茲器件及石墨烯技術領域，具體涉及一種基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器。

背景技術：

電磁波的極化在實際應用中起到十分重要的作用，這種特性被用于thz成像、thz傳感等。基于超表面的新型極化轉換器件具有重量輕、結構簡單、損耗低等優點而被廣泛應用。然而該類器件中的超表面是由金屬材料構建，由此設計的極化轉換器件功能單一，工作頻率不具備可調諧特性，必須通過修改超表面的幾何結構形狀和參數進行重新設計，才能夠調諧器件的極化轉換功能和工作頻率，極大限制了器件的應用。此外，現有基于超材料的反射型極化轉換器的地板為金屬，它對反射電磁波引入固定的180°附加相位，當調諧器件的工作頻率時，由于金屬地板只能提供固定附加相位，這使得在超表面的干涉條件被破壞，從而影響器件的工作性能，因此器件的調諧帶寬受限。

技術實現要素：

本發明所要解決的是現有極化轉換器的工作頻率不具備可調諧特性的問題，提供一種基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器，其具有寬帶和頻率可調諧的特性。

為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器，包括寬帶圓極化轉換器本體，該寬帶圓極化轉換器本體由介質基底層、設置在介質基底層上表面的石墨烯超表面層、以及設置在介質基底層下表面的石墨烯地板層組成；石墨烯超表面層為單層鏤空的石墨烯片，即在該層石墨烯片上開設有多個呈矩陣排列的蝶形孔，每個蝶形孔均是由2個大小一致的等腰三角形孔通過頂角相對或相疊設置所形成的軸對稱圖形；石墨烯地板層由多層具有相同性能參數的石墨烯片堆疊而成；在石墨烯超表面層和介質基底層之間施加偏置電壓v1和/或在石墨烯地板層和介質基底層之間施加偏置電壓v2，并通過施加不同的偏置電壓v1和/或偏置電壓v2來調節石墨烯超表面層的費米能級ef1和/或石墨烯地板層的費米能級ef2，從而實現寬帶圓極化轉換器本體的寬帶和頻率的動態可調諧。

上述方案中，每個蝶形孔既關于橫軸即x軸對稱，又關于縱軸即y軸對稱。

上述方案中，石墨烯超表面層和石墨烯地板層的每層石墨烯片的厚度為0.335nm～1nm。

上述方案中，石墨烯超表面層通過化學沉淀法附著于介質基底層的上表面。

上述方案中，石墨烯地板層通過隨機堆疊法附著于介質基底層的下表面。

上述方案中，介質基底層為硅片。

與現有技術相比，本發明具有如下優勢：

1、基于石墨烯超表面實現工作頻率調諧，并且石墨烯超表面采用互補結構，單元之間的石墨烯表面相連接，方便偏置電壓的施加；

2、采用多層石墨烯片代替金屬地板，不僅對電磁波有較高的反射作用，并且可以動態調諧反射電磁波的相位，使其在寬頻帶范圍內滿足超表面處的電磁波干涉條件，解決了普通器件調諧帶寬窄的問題；

3、通過調節石墨烯的費米能級，該極化轉換器在0.46-0.9thz實現了線極化波-圓極化波的轉換，在此頻率范圍內圓極化軸比均小于3db，有較好的圓極化性能。

附圖說明

圖1為基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器的立體結構示意圖。

圖2為基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器的石墨烯超表面單元放大結構示意圖。

圖3為基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器的石墨烯偏壓v1和v2加載方式示意圖。

圖4為當上層石墨烯費米能級ef1＝0.4ev，底層多層石墨烯費米能級ef2＝0.4ev時，本發明的u極化方向電磁波入射后的反射系數曲線圖。

圖5為調節石墨烯費米能級ef1，ef2得到的圓極化軸比調諧帶寬曲線圖。

圖中標號：1-1、石墨烯超表面層；1-2、介質基底層；1-3、石墨烯地板層。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，實例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向僅是用來說明并非用來限制本發明的保護范圍。

一種基于石墨烯的頻率可調諧的寬帶圓極化轉換器，如圖1所示，包括寬帶圓極化轉換器本體，該寬帶圓極化轉換器本體由介質基底層1-2、設置在介質基底層1-2上表面的石墨烯超表面層1-1、以及設置在介質基底層1-2下表面的石墨烯地板層1-3組成。

石墨烯超表面層1-1為單層鏤空的石墨烯片，如圖2所示，即在該層石墨烯片上開設有多個呈矩陣排列的蝶形孔。在本發明優選實施例中，蝶形孔在石墨烯片上沿著x和y方向等數量重復排列得到的，排列個數為25個以上。上述每個蝶形孔由2個大小一致的等腰三角形孔相對設置而成。在本發明優選實施例中，每個蝶形孔的長px為33um，寬py為35um。這2個等腰三角形孔的頂角既可以直接相對，此時圖2中g的距離為0；又可以相疊，此時圖2中g的距離大于0。在本發明優選實施例中，2個等腰三角形孔的頂角相疊設置，且圖2中g的距離為2um。由于每個蝶形孔是有2個大小一致的等腰三角形孔相對設置而成，因此每個蝶形孔既關于石墨烯超表面層1-1表面的橫軸即x軸對稱，又關于石墨烯超表面層1-1表面的縱軸即y軸對稱。在本發明優選實施例中，石墨烯超表面層1-1通過化學沉淀法附著于介質基底層1-2的上表面。

石墨烯地板層1-3由多層具有相同的性能參數的石墨烯片堆疊而成。由于多層堆疊的石墨烯具有較高的電導率，能夠對電磁波產生較大反射。在本發明優選實施例中，石墨烯地板層1-3通過隨機堆疊法附著于介質基底層1-2的下表面。本發明不同于傳統以金屬為地板的反射型極化器，它的反射地板是采用的多層石墨烯結構。當用多層石墨烯地板代替金屬地板，由石墨烯反射電磁波的附加相位不再固定在180°，而是受石墨烯的偏置電壓調控，最大的調控范圍從-79°到119°。因此，即使我們改變器件的工作頻率，由于多層石墨烯片對反射波的相位調控特性，反射波在超表面的干涉條件仍然能夠滿足，從而大幅度提高了器件工作頻率的調諧帶寬，相對帶寬達到64.7％。

在本發明優選實施例中，介質基底層1-2為硅片，其相對介電常數為11.9。石墨烯超表面層1-1和石墨烯地板層1-3的每層石墨烯片的厚度為0.335nm～1nm。本發明類似于法布里諧振腔的結構。線極化波入射經極化器反射成圓極化波是由于上層石墨烯超表面對電磁波的諧振和類法布里諧振腔對電磁波的諧振共同作用引起電磁波幅度和相位的變化，形成圓極化波。

為了深入了解該極化轉換器的調諧過程，我們運用干涉理論去分析其物理機理。當線極化波u，入射器件時，由于石墨烯超表面的各向異性，表面會產生反射和透射的交叉極化分量和共極化分量。透射電磁波的交叉極化分量和共極化分量進入介質，經過地板反射，再次到達石墨烯超表面，此時各個分量的電磁波會在超表面發生干涉。在電磁波干涉作用下，出射電磁波最終的極化狀態取決于共極化分量和交叉極化分量的幅度和相位。而交叉極化分量和共極化分量的電磁波在介質中傳播一個來回(從超表面到地板再返回超表面)所獲得的傳播相位如下：

其中，λ0是傳輸的電磁波的波長，nsi和h介質的折射率和厚度，θ是地板反射電磁波引起的附加相位。當傳播相位合適，則會在超表面上產生建設性的干涉條件，具體在本發明中體現為干涉得到的電磁波極化狀態為圓極化。反之，就會在超表面產生破環型的干涉條件，惡化器件性能。

對于其他石墨烯超表面的調諧器件，其地板為金屬，則地板反射電磁波引起的附加相位θ是固定的為180°。當電磁波波長變化時，nsi，h和θ都不變，則本來滿足干涉條件下的就會被打破，從而使得這種類型的器件無法獲得一個比較寬的頻率調諧范圍。但在本發明中由石墨烯地板引起的附加相位θ是可以通過改變石墨烯地板的費米能級進行調控的。通過調節相位θ，使得在不同波長下的傳播相位都滿足干涉條件，進而拓寬了器件的可調諧帶寬。

參見圖3，在石墨烯超表面層1-1和介質基底層1-2之間施加偏置電壓v和/或在石墨烯地板層1-3和介質基底層1-2之間施加偏置電壓v2，并通過施加不同的偏置電壓v1和/或偏置電壓v2來改變石墨烯超表面層1-1的費米能級ef1和/或石墨烯地板層1-3的費米能級ef2。偏置電壓與費米能級之間關系可參考以下公式：

式中為普朗克常量，vf為費米速度取vf＝1.1×10⁶m/s，n為石墨烯載流子濃度，具體可由實驗測得。

通過改變石墨烯的費米能級ef1，ef2大小，可以改變石墨烯的電導率，實現石墨烯電導率的動態調控，從而能夠在寬頻帶范圍內調諧器件的工作頻率，進而實現寬帶圓極化轉換器本體的寬帶和頻率的動態可調諧。具體來說，通過調節石墨烯超表面層1-1的費米能級ef1，能夠改變石墨烯電導率，從而動態調制上層石墨烯超表面的諧振特性。通過調節石墨烯地板層1-3的費米能級ef2，能有效調諧反射電磁波的相位特性。在利用上層石墨烯即石墨烯超表面層1-1的費米能級ef1調諧器件的工作頻率時，同時利用下層石墨烯即石墨烯地板層1-3的費米能級ef2調控反射電磁波的相位，這樣可以在寬頻帶范圍內讓上層石墨烯超表面的反射波與來自下層石墨烯的反射波之間滿足干涉條件，保證器件在寬調諧頻帶范圍內具有較好的極化轉換特性。

對所設計的極化轉換器各參數進行優化進行仿真實驗，得到優選仿真實例，仿真軟件選用cst2016。本例一個單元結構各參數如下：邊長p＝40um，上層石墨烯的蝶形孔雙翼寬度px＝33um，雙翼的長度py＝35um，兩翼中間的間距g＝2um，單層石墨烯厚度為0.335nm。硅基底厚度h＝30um，底層石墨烯為單層石墨烯隨機堆疊7層構成多層石墨烯片，且每層石墨烯片的特性參數都相同，具體包括具有相同的弛豫時間τ＝2ps和相同的費米能級ef。

仿真實驗中，入射波為線極化波，電場極化方向與x軸呈45°，記作u極化波。當上層石墨烯費米能級ef1＝0.4ev，底層多層石墨烯地板費米能級ef2＝0.4ev時，得到反射波交叉極化分量和同極化分量反射系數的幅度和相位差，如圖4所示，在頻率范圍0.76-0.9thz內，兩分量的幅度接近相等，相位差接近90°，故合成波為圓極化波，實現了入射線極化波到反射圓極化波的效果。當改變上層石墨烯超表面的費米能級ef1和底層多層石墨烯地板的費米能級ef2，極化器的圓極化軸比帶寬動態調諧，如圖5所示，實現了在0.46-0.9thz范圍內圓極化軸比小于3db，相對調諧帶寬達到64.7％。

本優選仿真實例中，所提出的極化轉換器在很寬的頻帶實現線極化波到圓極化波的轉換，并且具有很好的圓極化性能，較大程度拓展了基于石墨烯反射型極化器的調諧帶寬，解決了由于干涉條件限制調諧帶寬的問題。

需要說明的是，盡管以上本發明所述的實施例是說明性的，但這并非是對本發明的限制，因此本發明并不局限于上述具體實施方式中。在不脫離本發明原理的情況下，凡是本領域技術人員在本發明的啟示下獲得的其它實施方式，均視為在本發明的保護之內。