中英科学家新发现：利用石墨烯电导率变化实现太赫兹调制
2018-11-30 19:00:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

与太赫兹电磁频谱的其它频段相比，位于红外和微波之间的频段似乎被忽略了。据麦姆斯咨询报道，香港中文大学和华威大学（The University of Warwick）的一个研究小组最近发表研究成果，表明实现太赫兹光束的宽带宽、大幅度且快速的调制是可能的，甚至只需非常简单的器件就能实现。

调制器结构及其与太赫兹光相互作用的图解

为了设计出工作在太赫兹频段的相机和光谱仪，研究人员花费了不少努力。目前已经被证明其在机场安全扫描仪和旧画底层识别应用是有用的。

这些设备的重要组成部分则是调制器，它控制太赫兹光束的振幅或相位。调制器必须快速运作，且功耗低，在较大的频率范围内给出一致的调制，最大限度地改变太赫兹光束的强度或相位。迄今为止，供选择的方法包括超材料、半导体和液晶器件，但都无法满足所有需求。

Brewster先生来了

1815年，David Brewster发表了一篇论文，描述了实现透明物体零反射所需的入射角。两百多年后，香港中文大学许建斌和华威大学Emma Pickwell-MacPherson领导的科学家小组应用这些知识以及最新技术，创造了破纪录的太赫兹调制器。

Pickwell-MacPherson评论道，“我们的第一步是证明通过采用全内反射（TIR）几何结构而非透射几何结构获得用更低的导电率变化，从而实现宽带太赫兹调制。利用最新的布鲁斯特角，这已经成为实现几种新器件设计的方法。”

该器件通过在石英衬底上进行石墨烯、氧化铝（Al2O3）和氧化钛（TiOx）单层堆叠实现。一束p偏振太赫兹光束从堆栈中反射出来，当达到布鲁斯特角时，反射变为零。添加一层石墨烯允许了可调元素的引入。当在两个金接触点之间的石墨烯上施加电压时，电导率会发生变化。这改变了堆叠的布鲁斯特角，因此对于给定的入射角，反射的太赫兹可以通过控制电压而“接通或断开”。

选择运作模式

将p偏振太赫兹光束以65°的角度照射到器件上，施加在石墨烯的电压从-12V变为+14V，可以在0.5~1.6 THz的频率范围内实现对太赫兹振幅99.3%~99.9%的调节。振幅调节范围受到实验条件的限制，理论上可以实现更大的带宽。

但这并不是唯一的选择。研究人员利用在大于布鲁斯特角时反射光束发生180°相变这一事实。当电压从-12V变为+16V时，以68°角入射的太赫兹光束在相同的频率范围内将发生不小于140°的相变。在这个电压范围内，布鲁斯特角在72°和64°之间变化。

对1kHz方波电信号调制太赫兹时域波形（红色）和调制深度响应（蓝色）

对速度的要求

调制的上升时间约为1ms，因此很容易实现1kHz的调制频率。不过，如果可以牺牲调制深度，也可以达到高达10kHz的频率。虽然其他固态太赫兹调制器工作在大约2.4MHz的较高频率段，也可以进一些小调整提高该器件的调制频率。目前受限于金接触层之间的电阻和电容，通过将尺寸减小到1mm左右，并用石墨烯代替TiOx，调制速度与其他器件相当。

香港中文大学材料科技研究中心主任许建斌解释说，“这个装置的另一个好处是可以被改造成现有的商用太赫兹光谱仪。”石墨烯控制的布鲁斯特角太赫兹调制器将真正带我们进入太赫兹技术进入现实应用的未来。

延伸阅读：

《太赫兹及红外光谱学市场-2017版》

《太赫兹技术市场-2016版》