石墨烯等效電路以及在太赫茲調(diào)制器中的應(yīng)用研究.pdf

1、太赫茲無(wú)線通信具有傳輸速率高、頻段資源豐富、不易被探測(cè)和截收、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),而太赫茲波調(diào)制器作為太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一,成為了目前太赫茲領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)。太赫茲波調(diào)制器性能很大程度上取決于材料的選取,石墨烯不僅具有光學(xué)透明、穩(wěn)定、高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良的物理特性,而且具有獨(dú)特的零帶隙的能帶結(jié)構(gòu),在狄拉克點(diǎn)附近還具有線性的能帶結(jié)構(gòu),通過(guò)改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)可以起到調(diào)節(jié)石墨烯電導(dǎo)率的作用,這些特性使石墨烯

2、成為太赫茲波調(diào)制器設(shè)計(jì)的理想材料。
　　本文在分析單層石墨烯和多層石墨烯結(jié)構(gòu)的等效電路基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和分析了基于單層石墨烯透射型和反射型太赫茲調(diào)制器以及基于雙層石墨烯的太赫茲調(diào)制器。本文的主要研究工作和成果如下:
　　利用自由空間內(nèi)石墨烯的等效電路和均勻平行平板介質(zhì)波導(dǎo)的等效傳輸線模型,建立了硅/二氧化硅基底上的單層石墨烯結(jié)構(gòu)的等效電路和多層石墨烯結(jié)構(gòu)的等效電路,并分別對(duì)上述等效電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
　　然后,利用上述等效電

3、路,設(shè)計(jì)并分析了三種太赫茲調(diào)制器,它們分別是基于石墨烯的透射型調(diào)制器,基于石墨烯的反射型調(diào)制器和基于雙層石墨烯的反射型調(diào)制器。
　　利用硅/二氧化硅基底上的單層石墨烯結(jié)構(gòu)的等效電路,設(shè)計(jì)和分析了基于石墨烯的透射型調(diào)制器和反射型調(diào)制器。其中,基于石墨烯的透射型調(diào)制器由石英玻璃基片、單層石墨烯薄膜和二氧化硅/硅構(gòu)成。利用該調(diào)制器的等效電路模型,分析了它的調(diào)制深度,其結(jié)果與光學(xué)散射矩陣法的計(jì)算結(jié)果一致。理論分析的結(jié)果表明,載波為0.6T

4、Hz時(shí),當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓由0V變化到50V時(shí),理論調(diào)制深度可達(dá)24.12％,調(diào)制帶寬為55.5KHz,性能優(yōu)越。通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化,即使用兩層石墨烯重疊的結(jié)構(gòu),使得調(diào)制深度上升到了40.13%,并且由于兩層石墨烯的電阻小于單層石墨烯,使得調(diào)制帶寬上升到了98.41KHz。
　　基于石墨烯的反射型調(diào)制器由金屬層,石英玻璃基片、單層石墨烯薄膜和二氧化硅/硅構(gòu)成。由于電磁波被底層金屬反射,電磁波將經(jīng)過(guò)石墨烯兩次,使得其調(diào)制深度將高于同規(guī)格的

5、透射型調(diào)制器。通過(guò)同樣的等效電路方法,得出這種調(diào)制器在載波為0.6THz時(shí),當(dāng)調(diào)制信號(hào)電壓由0V變化到50V時(shí),理論調(diào)制深度可達(dá)68.8%,調(diào)制帶寬為55.5KHz。
　　通過(guò)利用氧化鋁鍍層物理地分隔兩個(gè)單層石墨烯,并將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于反射型調(diào)制器的設(shè)計(jì)中,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于雙層石墨烯的反射型調(diào)制器。該結(jié)構(gòu)避免了多層石墨烯使用時(shí)對(duì)層數(shù)的限制,并且能提供更大的調(diào)制深度。根據(jù)硅/二氧化硅基底上的多層石墨烯結(jié)構(gòu)的等效電路建立了該調(diào)制器的等