JP6222734B2 - Variable frequency filter - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェン構造体を用いた周波数可変フィルタに関する。 The present invention relates to a frequency variable filter using a graphene structure.
現在の通信システムでは、100GHzから10THzに亘るテラヘルツ(THz)の周波数領域は、新しい周波数領域として、計測・通信への適用が期待されている。光通信で用いられる赤外線周波数域の連続発振(CW,Continuous Wave)するレーザー光を二波用意し、それらの周波数をわずかにテラへルツ程度シフトさせて混合してフォトダイオードに照射すれば、フォトダイオードからはその差周波テラへルツ成分に対応した光電流成分が生成される。フォトダイオードの出力端に負荷抵抗を装荷すれば、テラへルツ電気信号が得られ、アンテナを介してテラへルツ電磁波として放射することができる。一方のCWレーザー光を振幅変調によってデータを搬送させた場合、フォトダイオードの出力にはそれら2つのレーザー光の差周波数に対応するテラへルツ波に当該のデータ信号が搬送された出力信号を得ることができる。すなわち、光通信帯のデータ信号をテラへルツ搬送周波数帯に下方変換(ダウンコンバート)することができるのである。この原理を利用して光通信用レーザー光源からテラへルツ電磁波を生成するフォトミキサーがミリ波・テラヘルツ波の発生源として開発されている。 In the current communication system, a terahertz (THz) frequency region ranging from 100 GHz to 10 THz is expected to be applied to measurement and communication as a new frequency region. Prepare two waves of laser light that continuously oscillates in the infrared frequency range used in optical communications (CW, Continuous Wave), shift the frequencies slightly to about terahertz, mix them, and irradiate the photodiodes. A photocurrent component corresponding to the difference frequency terahertz component is generated from the diode. If a load resistor is loaded at the output end of the photodiode, a terahertz electrical signal can be obtained and radiated as a terahertz electromagnetic wave via the antenna. When one CW laser beam carries data by amplitude modulation, an output signal in which the data signal is carried in a terahertz wave corresponding to the difference frequency between the two laser beams is obtained as the output of the photodiode. be able to. That is, the data signal in the optical communication band can be down-converted (down-converted) to the terahertz carrier frequency band. A photomixer that generates terahertz electromagnetic waves from a laser light source for optical communication using this principle has been developed as a generation source of millimeter waves and terahertz waves.
これまで、このフォトミキサーを代表とする光信号処理デバイスとしては、単一走行キャリアフォトダイオード(UTC−PD:Uni−Traveling Carrier Photodiode)が検討されてきた。 Until now, a single-running carrier photodiode (UTC-PD) has been studied as an optical signal processing device typified by this photomixer.
UTC−PDは、有効質量の小さな電子のみをキャリアとして用いることから動作速度が速いが、それでも電子走行時間効果に律速され、1THzの出力時には10マイクロワット程度の出力に留まる。 Although UTC-PD uses only electrons with a small effective mass as carriers, its operating speed is fast, but it is still limited by the electron transit time effect and remains at about 10 microwatts at 1 THz output.
また、将来の超高速情報通信システムでは光通信と無線との融合が検討されている。光通信と無線通信の融合においては、複数の異なる波長の光搬送波信号に独立にデータ信号が変調され、それらが多重化された光波長多重(WDM:Wave Division Multiplex)信号のうちの任意の1つの波長成分の信号をフィルタリングして、テラへルツ無線周波数帯に下方変換する機能が重要となる。この方法としては、光WDM信号をフィルタリングして1つの波長線分を抽出した後に、その光信号成分をテラヘルツ帯に下方変換する方法と、光WDM信号をまずはそのままテラへルツ無線周波数帯に下方変換し、テラへルツ周波数帯に変換された複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の1つの搬送周波数成分をフィルタリングする方法とがある。前者は、機能的には上述したUTC−PDのフォトミキシング機能によって実現できるが、上述したUTC−PDの周波数応答限界によって、テラへルツ周波数帯での実現は困難である。一方、後者の場合には、テラへルツ信号に対する周波数可変フィルタ機能の実現が重要となるが、THz領域で動作するフィルタデバイスは実現されていない。そこで、更に高周波なこの波長領域をカバーする信号処理デバイスとして、グラフェンを適用した各種デバイスの検討が進められている。 In future ultra-high-speed information communication systems, fusion of optical communication and radio is being studied. In the fusion of optical communication and wireless communication, a data signal is independently modulated into a plurality of optical carrier signals having different wavelengths, and any one of optical division multiplexing (WDM) signals obtained by multiplexing the data signals. The function of filtering the signal of one wavelength component and down-converting it to the terahertz radio frequency band is important. This method includes filtering the optical WDM signal to extract one wavelength line segment, and then downconverting the optical signal component to the terahertz band, or lowering the optical WDM signal as it is to the terahertz radio frequency band. There is a method of filtering any one carrier frequency component of a data signal component that has been converted and multiplexed on a plurality of carrier frequencies converted into a terahertz frequency band and modulated. The former can be functionally realized by the above-described UTC-PD photomixing function, but is difficult to realize in the terahertz frequency band due to the frequency response limit of the above-described UTC-PD. On the other hand, in the latter case, it is important to realize a frequency variable filter function for a terahertz signal, but a filter device operating in the THz region has not been realized. Therefore, various devices to which graphene is applied as a signal processing device that covers this higher frequency region are being studied.
その内の1つの関連技術に、グラフェンのバンド間光吸収を利用したグラフェン電気二重層(キャパシタ)による光強度変調器がある(例えば、非特許文献1参照。)。関連技術における光強度変調器の構造を図1及び図2に示す。図2において、31は第一のグラフェン層、32は第二のグラフェン層、33は絶縁膜、34は第一の金属電極、35は第二の金属電極、36は光導波路、37は基板である。図2に示すように、Siからなる光導波路36に対し、第一のグラフェン層31、第二のグラフェン層32及び絶縁膜33で二重層のグラフェンを構成する構造としている。第一のグラフェン層31と第二のグラフェン層32の間を絶縁する絶縁膜33はAl2O3で構成され、二重層のグラフェンでキャパシタを構成している。 One of the related technologies is a light intensity modulator using a graphene electric double layer (capacitor) using interband light absorption of graphene (for example, see Non-Patent Document 1). The structure of the light intensity modulator in the related art is shown in FIGS. In FIG. 2, 31 is a first graphene layer, 32 is a second graphene layer, 33 is an insulating film, 34 is a first metal electrode, 35 is a second metal electrode, 36 is an optical waveguide, and 37 is a substrate. is there. As shown in FIG. 2, the first graphene layer 31, the second graphene layer 32, and the insulating film 33 constitute a double-layer graphene for the optical waveguide 36 made of Si. The insulating film 33 that insulates between the first graphene layer 31 and the second graphene layer 32 is made of Al 2 O 3 , and a capacitor is made of double layer graphene.
第一のグラフェン層31と第二のグラフェン層32の間に外部より電圧を印加すると、それぞれのグラフェン層がp型、あるいは、n型となる。その際、フェルミ面の変化量をΔEf、光導波路36を透過するフォトンのエネルギーをEphとすれば、ΔEf>Eph/2の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生せず、ΔEf≦Eph/2の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生することとなる。以上により、それぞれのグラフェン層を光吸収層として独立に機能させ、電位差に応じて吸収/非吸収を制御することが可能となる。この結果、グラフェンを利用した光吸収型の光強度変調器が構成できることとなる。 When a voltage is applied from the outside between the first graphene layer 31 and the second graphene layer 32, each graphene layer becomes p-type or n-type. At that time, if ΔE f is the amount of change on the Fermi surface and E ph is the energy of the photons transmitted through the optical waveguide 36, no light absorption occurs in each graphene layer when ΔE f > E ph / 2, When ΔE f ≦ E ph / 2, light absorption occurs in each graphene layer. As described above, each graphene layer can function independently as a light absorption layer, and absorption / non-absorption can be controlled in accordance with a potential difference. As a result, a light absorption type light intensity modulator using graphene can be configured.
また、2つ目の関連技術では、同様のグラフェン二重層キャパシタ構造の両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して平面状のゲート電極が配置されたグラフェンヘテロ接合構造体がある(例えば、非特許文献2参照。)。図3において、11は第一のグラフェン層、12は第二のグラフェン層、13は絶縁膜、14は第一の金属電極、15は第二の金属電極、17は第一の絶縁体層、18は第二の絶縁体層、22は第一のゲート電極、23は第二のゲート電極である。図3に示すように、グラフェン二重層キャパシタは、第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12で絶縁膜13を挟むグラフェン二重層を備えていることで、第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12間の共鳴電子放射遷移エネルギーと、放出されるフォトンエネルギーのスペクトルとを第一のゲート電極22に印加されたバイアスに応じて調整することができるため、吸収や変調を行うテラヘルツ信号の周波数を可変制御できることから、テラへルツ信号をより有効に利用することができる。
In the second related technology, there is a graphene heterojunction structure in which a planar gate electrode is disposed on the outer surface of both graphenes of the same graphene double layer capacitor structure via separate thin insulating layers. (For example, refer
図4及び図5は、関連技術に係るグラフェン二重層キャパシタにバイアスを印加した場合の説明図を示す。図4では、第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12で絶縁膜13を挟むグラフェン二重層キャパシタにバイアス印加し、p−i−n接合を形成した場合、トンネルバリア層が十分に薄くても、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立しないため、トンネルは阻止されることを示す。 4 and 5 are explanatory diagrams when a bias is applied to the graphene double layer capacitor according to the related art. In FIG. 4, when a bias is applied to a graphene double layer capacitor in which an insulating film 13 is sandwiched between a first graphene layer 11 and a second graphene layer 12 to form a pin junction, the tunnel barrier layer is sufficiently thin. However, since the momentum conservation of the start state and the end state of the tunnel is not established, the tunnel is blocked.
図5では、グラフェン二重層キャパシタ構造体の外側に対し第一のゲート電極22及び第一の絶縁体層17を接続されたゲートスタック構造を付加し、第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12のポテンシャルを第一のゲート電極22に印加するゲートバイアスをシフトして、バンドオフセットをキャンセルすることで、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立し、共鳴トンネルが生じる関連技術を示す(例えば、非特許文献3参照。)。 In FIG. 5, a gate stack structure in which the first gate electrode 22 and the first insulator layer 17 are connected to the outside of the graphene double layer capacitor structure is added, and the first graphene layer 11 and the second graphene layer are added. A related technique in which the resonance of the tunnel is established by shifting the gate bias to apply the potential of the layer 12 to the first gate electrode 22 and canceling the band offset, thereby conserving the momentum of the initial state and the final state of the tunnel. (For example, refer nonpatent literature 3).
3つ目の関連技術では、同様のグラフェン二重層キャパシタ構造の両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して平面状のゲート電極が配置された光強度変調器がある(例えば、非特許文献4参照。)。図6において、11は第一のグラフェン層、12は第二のグラフェン層、13は絶縁膜、14は第一の金属電極、15は第二の金属電極、17は第一の絶縁体層、18は第二の絶縁体層、22は第一のゲート電極、23は第二のゲート電極である。図6に示す光強度変調器は、二重のグラフェン層共鳴トンネルと負の差動間の第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12から構成されるGL(Graphene Layer)伝導性を有する。図6に示すように、光強度変調器は、グラフェン二重層キャパシタ構造において、プラズマ振動と非周期的な摂動の自励振に対して安定した電子―正孔プラズマを有することでき、入射テラヘルツ電磁波によるプラズマ振動の励起は、放射線検出器上の周波数応答性の鋭い共振依存性及びバイアス電圧をもたらすことができる。
In the third related technology, there is a light intensity modulator in which a planar gate electrode is arranged on the outer surface of both graphenes of a similar graphene double layer capacitor structure via separate thin insulator layers (for example, (Refer
ここで、将来の超高速情報通信システムの実現には光通信と無線との融合が必須である。100GHzから10THzに亘るテラヘルツ(THz)の周波数領域は、新しい周波数領域として、計測・通信への適用が期待されている。この波長領域をカバーする信号処理デバイスとして、グラフェンを適用した各種デバイスの検討が進められている。また、将来の超高速情報通信システムでは光通信と無線との融合が検討されており、THz周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の1つの搬送周波数成分をフィルタリングする周波数可変フィルタ機能の実現が重要となる。 Here, in order to realize a future ultra-high-speed information communication system, fusion of optical communication and radio is indispensable. The terahertz (THz) frequency range from 100 GHz to 10 THz is expected to be applied to measurement and communication as a new frequency range. As a signal processing device that covers this wavelength region, various devices to which graphene is applied are being studied. Further, in future ultra-high-speed information communication systems, fusion of optical communication and radio is being studied, and any one carrier frequency component of a data signal component that is multiplexed and modulated on a plurality of carrier frequencies approaching the THz frequency band. It is important to realize a variable frequency filter function for filtering the frequency.
例えば、現行のハイビジョンテレビ映像よりも2桁以上の画素数を有する次世代超高精細(スーパーハイビジョン)テレビ映像信号を非圧縮で伝送するためには映像信号Iチャネルあたり40Gbit/s以上の伝送レートが必要とされており、これを単純な振幅シフトキーイング(ASK)変調方式で伝送するには、およそ伝送レートの10倍の高い搬送周波数が必要である。例えば、1THzの搬送周波数に40GBit/sのASK信号が変調され、100GHz程度の間隔で異なる搬送周波数で独立に変調された多数の信号が多重化されて伝送されている場合には、通過帯域80GHzと、通過域から遮断域までの遷移周波数帯域が20GHz未満の急峻な遮断特性を両立しつつ、かつ、通過帯域を周波数可変できる「周波数可変フィルタ」機能が必要となる。 For example, a transmission rate of 40 Gbit / s or more per video signal I channel is required for non-compressed transmission of next-generation ultra-high-definition (super high-definition) television video signals having two or more digits than the current high-definition television video. In order to transmit this with a simple amplitude shift keying (ASK) modulation scheme, a carrier frequency that is approximately 10 times higher than the transmission rate is required. For example, when a 40-Gbit / s ASK signal is modulated to a carrier frequency of 1 THz, and a large number of signals modulated independently at different carrier frequencies at intervals of about 100 GHz are multiplexed and transmitted, a passband of 80 GHz In addition, a “frequency variable filter” function capable of changing the frequency of the pass band while at the same time achieving a steep cutoff characteristic in which the transition frequency band from the pass band to the cutoff band is less than 20 GHz is required.
テラヘルツ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の1つの搬送周波数成分をフィルタリングする「周波数可変フィルタ」機能の実現が重要である。しかしながら、THz領域でそのような周波数選択性能を有して動作するフィルタデバイスは提案されていない。また、前述した関連技術では、光通信として使用する光デバイスとして効果的にグラフェン層を十分に利用することができない。 It is important to realize a “frequency variable filter” function that filters any one carrier frequency component of a data signal component multiplexed and modulated on a plurality of carrier frequencies approaching the terahertz frequency band. However, a filter device that operates with such frequency selection performance in the THz region has not been proposed. In addition, the related art described above cannot sufficiently utilize the graphene layer effectively as an optical device used for optical communication.
前記課題を解決するために、本発明は、トンネルバリアとして機能する絶縁体薄層をグラフェンでサンドイッチし、一方のグラフェン層にはソース電極を設置し、他方のグラフェン層にはドレイン電極を設置し、さらにその両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して格子状のゲート電極を配置してなるグラフェンヘテロ接合構造体により、THz周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の1つの搬送周波数成分をフィルタリングする周波数可変フィルタ機能を実現することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a thin insulator layer functioning as a tunnel barrier sandwiched between graphene, a source electrode is provided on one graphene layer, and a drain electrode is provided on the other graphene layer. In addition, the graphene heterojunction structure in which lattice-shaped gate electrodes are arranged on the outer surfaces of both graphenes via separate thin insulator layers, and multiplexed and modulated to a plurality of carrier frequencies approaching the THz frequency band. It is an object of the present invention to realize a frequency variable filter function for filtering any one carrier frequency component of the data signal component that has been generated.
本発明に係るグラフェンヘテロ接合構造体によって構成される周波数可変フィルタは、トンネルバリアとして機能する絶縁体薄層をグラフェンでサンドイッチし、一方のグラフェン層にはソース電極を設置し、他方のグラフェン層にはドレイン電極を設置され、さらにその両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して配置された格子状のゲート電極を備える。 In the variable frequency filter constituted by the graphene heterojunction structure according to the present invention, a thin insulator layer functioning as a tunnel barrier is sandwiched between graphenes, a source electrode is provided in one graphene layer, and the other graphene layer is provided. Has a drain electrode, and further includes a grid-like gate electrode disposed on the outer surface of both graphenes via a separate thin insulating layer.
具体的には、本発明に係る周波数可変フィルタは
第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、
前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、
前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、
前記第一のグラフェン層と面接触する第一の絶縁体層と、
前記第二のグラフェン層と面接触する第二の絶縁体層と、
前記第一の絶縁体層の前記第一のグラフェン層と面接触していない側の面に配置され、前記第一の絶縁体層に対し、外部から入力された入射光を、前記第一の絶縁体層を透過して前記第一のグラフェン層に到達させるための露出部を形成する格子形状の第一のゲート電極と、
前記第二の絶縁体層の前記第二のグラフェン層と面接触していない側の面に配置され、前記第一の絶縁体層に対し露出部を形成する格子形状の第二のゲート電極と、
を備え、
前記第一のゲート電極と前記第二のゲート電極との間にバイアスを印加することで、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層とのエネルギー差を相対的にシフトする
ことを特徴とする。
Specifically, the variable frequency filter according to the present invention includes a graphene double layer in which an insulating film is sandwiched between a first graphene layer and a second graphene layer,
A first metal electrode connected to one end of the first graphene layer;
A second metal electrode connected to one end of the second graphene layer;
A first insulator layer in surface contact with the first graphene layer ;
A second insulator layer in surface contact with the second graphene layer;
The first insulator layer is disposed on a surface not in surface contact with the first graphene layer, and incident light input from the outside to the first insulator layer is a first gate electrode of the insulator layer permeable to the lattice shape you form an exposed portion of the order to reach the first graphene layer,
The second being disposed on the surface of the second graphene layer surface contact with non side of the insulator layer, a second of the lattice shape you form an exposed portion to said first insulating layer A gate electrode;
Equipped with a,
By applying a bias between the first gate electrode and the second gate electrode, the energy difference between the first graphene layer and the second graphene layer is relatively shifted.
It shall be the features a.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において入射光が前記第一の絶縁体層の露出部を透過し到達して当該第一のグラフェン層の界面に表面プラズモンを発生させてもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The graphene bilayer is
In the first graphene layer, incident light may pass through and reach the exposed portion of the first insulator layer to generate surface plasmons at the interface of the first graphene layer.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記第一のゲート電極は、
受信アンテナとして電磁波を受信し、
前記第二のゲート電極は、
放射アンテナとして前記電磁波を前記グラフェン二重層を介して選択的に放射してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The first gate electrode is
Receives electromagnetic waves as a receiving antenna,
The second gate electrode is
The electromagnetic wave may be selectively radiated through the graphene bilayer as a radiating antenna.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記第一のゲート電極における受信信号の共鳴トンネル周波数と一致するように、予め設定された前記表面プラズモンの共鳴周波数を有してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The graphene bilayer is
It may have a resonance frequency of the surface plasmon set in advance so as to coincide with the resonance tunnel frequency of the reception signal in the first gate electrode.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記第二のゲート電極は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致しない場合、前記受信信号の光成分を透過してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The second gate electrode is
If the resonant tunneling frequency of the received signal does not match the resonant frequency of the surface plasmon, the optical component of the received signal may be transmitted.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記表面プラズモンの非線形整流を利用して前記第一の金属電極及び第二の金属電極に対し光起電力を生成してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The graphene bilayer is
A photovoltaic force may be generated for the first metal electrode and the second metal electrode by utilizing nonlinear rectification of the surface plasmon.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致する当該受信信号の周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を分離して、ベースバンド信号を抽出してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The graphene bilayer is
The baseband signal may be extracted by separating the intensity-modulated data signal included in the frequency signal component of the received signal in which the resonant tunneling frequency of the received signal matches the resonant frequency of the surface plasmon.
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において前記第一のゲート電極に印加されたバイアス量に応じて格子状にキャリア濃度を周期的に変調してもよい。
In the frequency variable filter according to the present invention,
The graphene bilayer is
In the first graphene layer, the carrier concentration may be periodically modulated in a lattice shape in accordance with the bias amount applied to the first gate electrode.
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。 The above inventions can be combined as much as possible.
本発明によれば、テラヘルツ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の1つの搬送周波数成分をフィルタリングする「周波数可変フィルタ」機能を実現できる。さらには、周波数可変なフィルタ機能によって抽出された周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を搬送周波数から分離してベースバンド信号として抽出する機能とを同時に実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a “frequency variable filter” function that filters any one carrier frequency component of a data signal component that is multiplexed and modulated on a plurality of carrier frequencies approaching the terahertz frequency band. Furthermore, it is possible to simultaneously realize the function of separating the intensity modulation data signal included in the frequency signal component extracted by the frequency variable filter function from the carrier frequency and extracting it as a baseband signal.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. These embodiments are merely examples, and the present invention can be implemented in various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
本実施形態で説明する周波数可変フィルタの構造を図7に示す。11は第一のグラフェン層、12は第二のグラフェン層、13は絶縁膜、14は第一の金属電極、15は第二の金属電極である。第一のグラフェン層11、第二のグラフェン層12、及び両者の間を絶縁する絶縁膜13でグラフェン二重層を構成している。第一のグラフェン層11と第二のグラフェン層12は、それぞれ、第一の金属電極14と第二の金属電極15に接続されている。24は第一のグラフェン層11に面接触する第1の絶縁体層17に露出部を形成するための格子形状の第一のゲート電極である。25は第二のグラフェン層12に面接触する第二の絶縁体層18に露出部を形成するための格子形状の第二のゲート電極である。 FIG. 7 shows the structure of the frequency variable filter described in this embodiment. The first graphene layer 11, 12 is a second graphene layer, 13 denotes an insulating film, the first metal electrode 14, 15 is a second metal electrodes. The first graphene layer 11, the second graphene layer 12, and the insulating film 13 that insulates between the two form a graphene double layer. The first graphene layer 11 and the second graphene layer 12 are connected to the first metal electrode 14 and the second metal electrode 15, respectively. Reference numeral 24 denotes a lattice-shaped first gate electrode for forming an exposed portion in the first insulator layer 17 in surface contact with the first graphene layer 11. Reference numeral 25 denotes a lattice-shaped second gate electrode for forming an exposed portion in the second insulator layer 18 in surface contact with the second graphene layer 12.
本実施形態では、図7で示す周波数可変フィルタにおいて、一定のエネルギーの光が入射した場合、第1の絶縁体層17に設けられた格子形状の露出部を介して第一のグラフェン層11に到達したフォトンの吸収によって共鳴トンネルがアシストされる。ここで、第一のゲート電極は格子形状を有しているため、格子形状に従って露出された第一の絶縁体層17の露出部から到達したフォトンにより、第一のグラフェン層11の表面に局在する電磁波及び分極が交互に入れ替わることにより、当該グラフェン層面にプラズマ表面波である表面プラズモンを励起することができる。図8及び図9は、本実施形態に係るバイアスを印加した周波数可変フィルタの状態を示す。図8は本実施形態において、フォトンの吸収にアシストされて生じる共鳴トンネリングを示し、図9はフォトンの発光にアシストされて生じる共鳴トンネリングを示す。具体的には、グラフェン二重層キャパシタ構造体を有する周波数可変フィルタの第一の金属電極14と第二の金属電極15の間にバイアス印加し、p−i−n接合を形成した場合、トンネルバリア層が十分に薄くても、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立しないため、トンネルは阻止される。しかし、ここで、格子形状の第一のゲート電極24と格子形状の第二のゲート電極25にバイアスを印加すれば、図8や図9に示したように、第一のグラフェン層11と第二のグラフェン層12のエネルギー差:Δをバイアスに応じて相対的にシフトすることができる。その結果、図8に示すように、運動量保存則を満たすに等しいエネルギーのフォトンが入射した場合、入射された光のフォトンの吸収によって共鳴トンネルがアシストされる。また、図9に示すように、運動量保存則を満たすに等しいエネルギーのフォトンを放出・発光することによっても、共鳴トンネルがアシストされる。 In the present embodiment, in the frequency tunable filter shown in FIG. 7, when light of a certain energy enters, the first graphene layer 11 is passed through the lattice-shaped exposed portion provided in the first insulator layer 17. Resonant tunneling is assisted by absorption of the reached photons. Here, since the first gate electrode has a lattice shape, the first gate electrode is locally formed on the surface of the first graphene layer 11 by photons reaching from the exposed portion of the first insulator layer 17 exposed according to the lattice shape. By alternately exchanging existing electromagnetic waves and polarization, surface plasmons that are plasma surface waves can be excited on the surface of the graphene layer. 8 and 9 show the state of the frequency variable filter to which a bias is applied according to the present embodiment. FIG. 8 shows resonance tunneling generated by assisting photon absorption in this embodiment, and FIG. 9 shows resonance tunneling generated by assisting photon emission . Specifically, when a bias is applied between the first metal electrode 14 and the second metal electrode 15 of the variable frequency filter having a graphene double layer capacitor structure to form a pin junction, a tunnel barrier is formed. Even if the layer is thin enough, the tunnel is blocked because the momentum conservation of the initial and final states of the tunnel is not established. However, here, if a bias is applied to the lattice-shaped first gate electrode 24 and the lattice-shaped second gate electrode 25, as shown in FIGS. The energy difference between the two graphene layers 12: Δ can be relatively shifted according to the bias. As a result, as shown in FIG. 8, when a photon having an energy equal to the momentum conservation law is incident, the resonance tunnel is assisted by absorption of the photon of the incident light. In addition, as shown in FIG. 9, the resonant tunneling is also assisted by emitting and emitting photons of energy equal to the momentum conservation law.
本実施形態に係る周波数可変フィルタが有する第一のゲート電極24及び第二のゲート電極25は、格子型の形状で構成されている。第一のゲート電極24及び第二のゲート電極25は、格子形状の導体であるため、格子形状のアンテナ素子として機能することができる。パッチ型アンテナとして広く用いられている単なる平面形状のアンテナ素子を有する関連技術では、パッチ型アンテナは、その一辺の長さが電磁波の半波長もしくはその整数倍と合致する電磁波のみ結合する(受信もしくは放射する)ことができる、「狭帯域アンテナ」である。このため、本発明が意図する周波数可変性を実現しうる「広帯域」応答はできない。一方、本実施形態に係る周波数可変フィルタでは、格子形状の金属平面アレイ構造は広帯域のアンテナ素子として機能し、広い周波数帯域にわたり、効率よく電磁波とプラズモンの結合を果たすことができる。 The first gate electrode 24 and the second gate electrode 25 having a frequency variable filter according to the present embodiment is constructed in the form of a lattice. The first gate electrode 24 and the second gate electrode 25 are the conductors of the grid shape, it can function as an antenna element of the lattice shape. In a related technology having a simple planar antenna element widely used as a patch antenna, the patch antenna couples only an electromagnetic wave whose length of one side matches a half wavelength of the electromagnetic wave or an integral multiple thereof (reception or reception). It is a “narrowband antenna” that can radiate. For this reason, a “wideband” response that can realize the frequency variability intended by the present invention is not possible. On the other hand, in the variable frequency filter according to this embodiment, the lattice-shaped metal planar array structure functions as a broadband antenna element, and can efficiently combine electromagnetic waves and plasmons over a wide frequency band.
具体的には、本実施形態に係る周波数可変フィルタにおいて、励起したプラズマ波の共鳴周波数の周期性は、プラズマ波の分散関係(周波数と波数の関係)に変化をもたらす。本実施例のようなゲート制御下のプラズマ波の分散関係は線形であり、かつ、プラズマ波速度は一般に光の速度(分散線の傾きに対応する)に比して二桁程度低いため、光の分散線とプラズマ波の分散線とが交わることはなく、両者の間でエネルギーの交換は起こりえない。しかしながら、本実施例のごとく、格子形状の金属平面アレイゲート電極24、25によってグラフェン内キャリア濃度が周期的に変調され、その結果、プラズモン領域が周期的に形成されることとなり、ゲートの格子形状の周期性に応じてプラズマ波の分散線は基本波数を周期として周期的に多数折り返される。プラズマ波の分散線が折り返されることで、光の分散線と稠密に交差することとなり、各々の交点では光波とプラズマ波との間でエネルギー及び運動量の保存則を満たすこととなる。従って、光波とプラズマ波とが結合し、両者の間でエネルギーの変換が相互にできる周波数が稠密に多数存在することになる。このように、交互に配置された、同一周期を有する第1のゲート電極24及び第2のゲート電極25が広帯域なアンテナとして機能し、テラヘルツ電磁波・プラズマ波間のモード変換をすることができる。 Specifically, in the variable frequency filter according to the present embodiment, the periodicity of the resonance frequency of the excited plasma wave changes the dispersion relationship (relationship between frequency and wave number) of the plasma wave. The dispersion relationship of the plasma wave under gate control as in this embodiment is linear, and the plasma wave velocity is generally about two orders of magnitude lower than the light velocity (corresponding to the slope of the dispersion line). The dispersion line of the plasma and the dispersion line of the plasma wave do not intersect, and no energy exchange can occur between them. However, as in this embodiment, the carrier concentration in graphene is periodically modulated by the lattice-shaped metal planar array gate electrodes 24 and 25, and as a result, plasmon regions are periodically formed, and the lattice shape of the gate In accordance with the periodicity, a large number of plasma wave dispersion lines are periodically folded with the fundamental wave number as a period. When the dispersion line of the plasma wave is folded, the dispersion line of the light intersects densely, and at each intersection, the conservation law of energy and momentum is satisfied between the light wave and the plasma wave. Therefore, light waves and plasma waves are combined, and there are a large number of dense frequencies at which energy conversion can be performed between the two. Thus, the alternately arranged first gate electrode 24 and second gate electrode 25 having the same period function as a broadband antenna, and mode conversion between terahertz electromagnetic waves and plasma waves can be performed.
上述の機構によって、本実施形態に係る周波数可変フィルタにおいて、第一のゲート電極24及び第二のゲート電極25は周期的な格子形状の構造によってテラヘルツ電磁波のエネルギーをプラズマ波に変換し励起することができる。一方、プラズマ波が何らかの外的要因によって励起されると、そのプラズマ波のエネルギーをテラヘルツ電磁波に変換することも可能となる。テラヘルツ電磁波からプラズマ波への変換は、テラヘルツ電磁波を受信するアンテナとしての利用を可能とし、一方、プラズマ波からテラヘルツ電磁波への変換は、テラヘルツ電磁波を放射するアンテナとして利用することができる。 With the above-described mechanism, in the variable frequency filter according to this embodiment, the first gate electrode 24 and the second gate electrode 25 convert the energy of the terahertz electromagnetic wave into a plasma wave and excite it with a periodic lattice-shaped structure. Can do. On the other hand, when the plasma wave is excited by some external factor, the energy of the plasma wave can be converted into a terahertz electromagnetic wave. The conversion from the terahertz electromagnetic wave to the plasma wave can be used as an antenna for receiving the terahertz electromagnetic wave, while the conversion from the plasma wave to the terahertz electromagnetic wave can be used as an antenna for emitting the terahertz electromagnetic wave.
本実施形態では、周波数可変フィルタにおいて、トンネル確率の入射フォトンエネルギー依存性はトンネルバリア層厚、第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12のドーピング濃度に依存した共鳴特性を有する。そのトンネル確率に依存して、共鳴周波数におけるトンネル電流、すなわちフォトンの吸収率は、非共鳴周波数に比して増大する。 In this embodiment, in the variable frequency filter, the dependence of the tunnel probability on the incident photon energy has resonance characteristics depending on the thickness of the tunnel barrier layer and the doping concentrations of the first graphene layer 11 and the second graphene layer 12. Depending on the tunnel probability, the tunneling current at the resonant frequency, that is, the absorption rate of photons increases compared to the non-resonant frequency.
第一のグラフェン層11及び第二のグラフェン層12のドーピング濃度は、ソース・ドレイン間電圧Vで平均的に与えられ、ゲート電圧Vgでさらに周期的に変調される。バンドオフセット依存の共鳴吸収フォトンエネルギーはゲート電圧Vgで制御することができる。ここで、格子形状の第一のゲート電極24及び第二のゲート電極25の構造体は、グラフェン内二次元プラズモンと入射電磁波との結合を果たす広帯域アンテナとして機能してもよい。 The doping concentrations of the first graphene layer 11 and the second graphene layer 12 are given on average by the source-drain voltage V, and are further periodically modulated by the gate voltage Vg. The resonance absorption photon energy depending on the band offset can be controlled by the gate voltage Vg. Here, the lattice-shaped structure of the first gate electrode 24 and the second gate electrode 25 may function as a broadband antenna that performs coupling between the in-graphene two-dimensional plasmon and the incident electromagnetic wave.
第一のゲート電極24及び第二のゲート電極25の構造体は、格子状のため、ゲートバイアスVgによってグラフェン面内に誘起されるキャリア濃度はゲート格子に対応してストライプ状に周期的に変調される。このキャリア濃度の周期的変調に伴い、グラフェン面内の二次元プラズモンに共鳴モードが定まる(共鳴周波数∝(キャリア濃度)1/4、∝(ストライプの幅の逆数))。このプラズモン共鳴周波数を共鳴トンネル周波数に一致させることに従って、図10に示すように共鳴周波数におけるトンネル電流、すなわちフォトンの吸収率は、非共鳴周波数と比較して3桁以上も増大する。 Since the structure of the first gate electrode 24 and the second gate electrode 25 has a lattice shape, the carrier concentration induced in the graphene plane by the gate bias Vg is periodically modulated in a stripe shape corresponding to the gate lattice. Is done. Along with the periodic modulation of the carrier concentration, a resonance mode is determined in the two-dimensional plasmon in the graphene plane (resonance frequency ∝ (carrier concentration) ¼, ∝ (reciprocal of stripe width)). By matching the plasmon resonance frequency to the resonance tunnel frequency, the tunnel current at the resonance frequency, that is, the absorption rate of photons, as shown in FIG. 10, increases by three orders of magnitude or more compared to the non-resonance frequency.
図10では、d=4nmの構造寸法条件を仮定して、ソース・ドレイン間電圧Vを変化した場合の光検出感度Rωの入射フォトンエネルギーに対する依存性を実線でプロットしている。また、同時に、d=2nmの異なる構造寸法条件に対して、V=87mVの条件の特性を破線でプロットし、d=4nmの場合と比較している。いずれの特性においても、構造寸法とキャリア濃度で定まる共鳴周波数で光検出感度はピーク(最大)となり、非共鳴周波数の検出感度と比較して、3桁以上の感度の増大が認められる。(V=149mV,87mVの特性は非共鳴周波数域の光検出感度値が図の縦軸の枠外に小さくなっていて、図では確認できないが、いずれも3桁以上の感度低下(共鳴点で見れば3桁以上の増大)が計算結果では現れている)。 In FIG. 10, the dependence of the photodetection sensitivity Rω on the incident photon energy when the source-drain voltage V is changed is plotted with a solid line assuming a structural dimension condition of d = 4 nm. At the same time, the characteristic of the condition of V = 87 mV is plotted with a broken line for different structural dimension conditions of d = 2 nm, and compared with the case of d = 4 nm. In any of the characteristics, the photodetection sensitivity reaches a peak (maximum) at the resonance frequency determined by the structure dimension and the carrier concentration, and an increase in sensitivity of 3 digits or more is recognized as compared with the detection sensitivity at the nonresonant frequency. (The characteristics of V = 149 mV and 87 mV are such that the photodetection sensitivity value in the non-resonant frequency range is small outside the vertical axis in the figure and cannot be confirmed in the figure. (Increased by more than 3 digits) in the calculation results).
非共鳴なフォトンはそのまま透過して、裏面の格子状ゲートのアンテナ機能によって再び放射される。その結果、周波数可変のストップバンドフィルタとして機能する。グラフェンプラズモンの非線形整流作用によって、ドレイン電極として機能する第一の金属電極14及びソース電極として機能する第二の金属電極15間には光起電力を励起することができる。 Non-resonant photons are transmitted as they are and are radiated again by the antenna function of the lattice gate on the back surface. As a result, it functions as a frequency variable stop band filter. Photovoltaic power can be excited between the first metal electrode 14 functioning as a drain electrode and the second metal electrode 15 functioning as a source electrode by the non-linear rectification action of graphene plasmon.
光起電力の応答速度は、グラフェンプラズモンの運動量緩和時間(室温でピコ秒〜サブピコ秒)の数10倍程度であることから、もしも、入射テラヘルツ波が搬送周波数としてその強度変調によってデータ信号がコード化されている場合には、ドレイン電極として機能する第一の金属電極14及びソース電極として機能する第二の金属電極15間にはデータ信号のみが抽出され、出力されることになる。 The response speed of the photovoltaic power is about several tens of times the momentum relaxation time of graphene plasmon (from picoseconds to subpicoseconds at room temperature), so if the incident terahertz wave is the carrier frequency and the intensity modulation modulates the data signal In this case, only the data signal is extracted and output between the first metal electrode 14 functioning as the drain electrode and the second metal electrode 15 functioning as the source electrode.
上述した本実施形態により、周波数可変なフィルタ機能とフィルタで抽出された周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を搬送周波数から分離してベースバンド信号として抽出する機能とを同時に実現することができる。 According to the present embodiment described above, it is possible to simultaneously realize a frequency variable filter function and a function of separating an intensity modulated data signal included in a frequency signal component extracted by a filter from a carrier frequency and extracting it as a baseband signal. .
本発明は情報通信産業に適用することができる。 The present invention can be applied to the information communication industry.
11:第一のグラフェン層
12:第二のグラフェン層
13:絶縁膜
14:第一の金属電極
15:第二の金属電極
17:第一の絶縁体層
18:第二の絶縁体層
22、24:第一のゲート電極
23、25:第二のゲート電極
31:第一のグラフェン層
32:第二のグラフェン層
33:絶縁膜
34:第一の金属電極
35:第二の金属電極
36:光導波路
37:基板
11: first graphene layer 12: second graphene layer 13: insulating film 14: first metal electrode 15: second metal electrodes
1 7: first insulating layer 18: second insulator layer 22, 24: first gate electrode 23, 25: second gate electrode 31: first graphene layer 32: second graphene layer 33 : Insulating film 34: first metal electrode 35: second metal electrode 36: optical waveguide 37: substrate
Claims (8)
前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、
前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、
前記第一のグラフェン層と面接触する第一の絶縁体層と、
前記第二のグラフェン層と面接触する第二の絶縁体層と、
前記第一の絶縁体層の前記第一のグラフェン層と面接触していない側の面に配置され、前記第一の絶縁体層に対し、外部から入力された入射光を、前記第一の絶縁体層を透過して前記第一のグラフェン層に到達させるための露出部を形成する格子形状の第一のゲート電極と、
前記第二の絶縁体層の前記第二のグラフェン層と面接触していない側の面に配置され、前記第二の絶縁体層に対し露出部を形成する格子形状の第二のゲート電極と、
を備え、
前記第一のゲート電極と前記第二のゲート電極との間にバイアスを印加することで、前記第一のグラフェン層と前記第二のグラフェン層とのエネルギー差を相対的にシフトする
ことを特徴とする周波数可変フィルタ。 A graphene double layer in which an insulating film is sandwiched between a first graphene layer and a second graphene layer;
A first metal electrode connected to one end of the first graphene layer;
A second metal electrode connected to one end of the second graphene layer;
A first insulator layer in surface contact with the first graphene layer ;
A second insulator layer in surface contact with the second graphene layer;
The first insulator layer is disposed on a surface not in surface contact with the first graphene layer, and incident light input from the outside to the first insulator layer is a first gate electrode of the insulator layer permeable to the lattice shape you form an exposed portion of the order to reach the first graphene layer,
The second being disposed on the surface of the second graphene layer surface contact with non side of the insulator layer, the second of the second lattice shape form an exposed portion relative to the insulator layer A gate electrode;
Equipped with a,
An energy difference between the first graphene layer and the second graphene layer is relatively shifted by applying a bias between the first gate electrode and the second gate electrode. A variable frequency filter.
第一のグラフェン層において入射光が前記第一の絶縁体層の露出部を透過し到達して当該第一のグラフェン層の界面に表面プラズモンを発生させる
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数可変フィルタ。 The graphene bilayer is
2. The incident light in the first graphene layer passes through and reaches the exposed portion of the first insulator layer to generate surface plasmons at the interface of the first graphene layer. Frequency variable filter.
受信アンテナとして電磁波を受信し、
前記第二のゲート電極は、
放射アンテナとして前記電磁波を前記グラフェン二重層を介して選択的に放射する
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数可変フィルタ。 The first gate electrode is
Receives electromagnetic waves as a receiving antenna,
The second gate electrode is
The frequency variable filter according to claim 1, wherein the electromagnetic wave is selectively radiated through the graphene double layer as a radiating antenna.
前記第一のゲート電極における受信信号の共鳴トンネル周波数と一致するように、予め設定された前記表面プラズモンの共鳴周波数を有する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の周波数可変フィルタ。 The graphene bilayer is
4. The variable frequency filter according to claim 1, wherein the frequency resonance filter has a resonance frequency of the surface plasmon set in advance so as to coincide with a resonance tunnel frequency of a reception signal in the first gate electrode. 5. .
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致しない場合、前記受信信号の光成分を透過させる
ことを特徴とする請求項4に記載の周波数可変フィルタ。 The second gate electrode is
5. The variable frequency filter according to claim 4, wherein when a resonance tunnel frequency of the reception signal does not match a resonance frequency of the surface plasmon, the optical component of the reception signal is transmitted.
前記表面プラズモンの非線形整流を利用して前記第一の金属電極及び第二の金属電極に対し光起電力を生成する
ことを特徴とする請求項4に記載の周波数可変フィルタ。 The graphene bilayer is
The frequency tunable filter according to claim 4, wherein a photovoltaic force is generated for the first metal electrode and the second metal electrode using nonlinear rectification of the surface plasmon.
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致する当該受信信号の周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を分離して、ベースバンド信号を抽出する
ことを特徴とする請求項4に記載の周波数可変フィルタ。 The graphene bilayer is
5. The baseband signal is extracted by separating an intensity modulation data signal included in a frequency signal component of the reception signal in which a resonance tunnel frequency of the reception signal and a resonance frequency of the surface plasmon coincide with each other. The frequency variable filter described in 1.
第一のグラフェン層において前記第一のゲート電極に印加されたバイアス量に応じて格子状にキャリア濃度を周期的に変調する
ことを特徴とする請求項1に記載の周波数可変フィルタ。 The graphene bilayer is
2. The variable frequency filter according to claim 1, wherein in the first graphene layer, the carrier concentration is periodically modulated in a lattice shape in accordance with a bias amount applied to the first gate electrode.
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