一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，包括太赫茲波可以透射的半導(dǎo)體襯底、兩種以上尺寸規(guī)格的超材料諧振單元和金屬鈦薄膜層，所述超材料諧振單元設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上，金屬鈦薄膜層設(shè)置在超材料諧振單元和半導(dǎo)體襯底上；同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元以一種周期陣列方式布置在襯底上，不同尺寸規(guī)格的超材料諧振單元交錯布置，且不同超材料諧振單元之間彼此存在間隙。本發(fā)明提供的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，在一塊襯底上集成了兩個或多個頻率的太赫茲波調(diào)制器，可以根據(jù)需要對兩種或多種不同頻率的太赫茲波進行調(diào)制，這樣就有利于降低使用成本，因此具有更好的實用性和便利性。
【專利說明】一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，尤其涉及一種能夠?qū)煞N或三種以上頻率的太赫茲波進行幅度調(diào)制的太赫茲波調(diào)制器，屬于太赫茲通信、探測和成像相關(guān)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是指頻率在0.1THz到IOTHz之間的電磁波，波長大概在0.03?3mm范圍，介于微波與紅外光之間，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論適用范圍的過渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域。與其他波段的電磁波相比，太赫茲波具有光子能量小、穿透力強等特性，在通信、軍事、醫(yī)學(xué)、安全檢查等領(lǐng)域具有重大的潛在應(yīng)用價值。
[0003]太赫茲波調(diào)制器是構(gòu)筑太赫茲通信系統(tǒng)的核心元器件之一。近年來所報道的太赫茲波調(diào)制器中有很多利用超材料與半導(dǎo)體材料結(jié)合進行調(diào)制太赫茲波的方法。2006年，W.J.Padilla等人首次報道了一種光控超材料太赫茲波器件[I]，該器件是將金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)制備在GaAs襯底上,通過光激勵可以在GaAs半導(dǎo)體襯底上激發(fā)光生載流子,再調(diào)控光泵功率即可調(diào)節(jié)諧振環(huán)開口處的載流子濃度，以實現(xiàn)對開口電容的調(diào)節(jié)，從而調(diào)控太赫茲波的傳輸。南京郵電大學(xué)的陳鶴鳴等人提出基于非線性光子晶體可以實現(xiàn)對雙波長太赫茲波的調(diào)制[2] [3]，但是這種太赫茲波調(diào)制器的制備工藝流程復(fù)雜，實際難以實現(xiàn)。
H.T.Chen利用微加工技術(shù)將金屬微帶結(jié)構(gòu)刻在半導(dǎo)體襯底上，通過改變電容來實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)控[4]，其所用襯底是硅-藍(lán)寶石晶片，硅的電導(dǎo)率大于100Ω.cm，利用光抽運THz探測技術(shù)對硅表面進行光激勵，可以通過以外部光控制光生載流子的方法在20%的幅度內(nèi)調(diào)控太赫茲波的中心頻率，但這種方法的調(diào)制深度不高，而且也不能實現(xiàn)同時對幾種不同波長(頻率)的太赫茲波進行調(diào)制。
[0004]參見圖1，有研究人員提出一種基于半導(dǎo)體襯底和超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制器，但是由于該器件的半導(dǎo)體襯底上的超材料結(jié)構(gòu)只有一種尺寸，不能靈活方便地對多種頻率的太赫茲波進行調(diào)制，并且其制備的成本也較高，限制了該種太赫茲調(diào)制器更廣泛的使用。
[0005]參考文獻
[0006][l]ff.J.Padilla, A.J.Taylor, C.Highstrete et al.Dynamical electricand magnetic metamaterial response at terahertz frequencies[J].Phys.Rev.Lett.,2006, 96(10):107401
[0007][2]H.T Chen, J.F.0j Hara, A.K.Azad et al.Experimental demonstration offrequency-agile terahertz metamaterials[J].Nature.Photonics, 2008, 2(5):295 ?298
[0008][3]H.T Chen, ff.J.Padillal, M.J.Cich et al.A metamaterial solid-stateterahertz phase modulator[J].Nature Photonics, 2009，3 (3):148 ?151
[0009][4]陳鶴鳴，徐妍.光控雙波長太赫茲波調(diào)制器及調(diào)制方法:中國專利，201010568906.5
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種制備成本較低的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，可以同時調(diào)制兩種或兩種以上頻率的太赫茲波。
[0011]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0012]一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，包括太赫茲波可以投射的半導(dǎo)體襯底、兩種以上尺寸規(guī)格的超材料諧振單元和金屬鈦薄膜層，所述超材料諧振單元設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上，金屬鈦薄膜層設(shè)置在超材料諧振單元和半導(dǎo)體襯底上；同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元以一種周期陣列方式布置在半導(dǎo)體襯底上，不同尺寸規(guī)格的超材料諧振單元交錯布置，且不同超材料諧振單元之間彼此存在間隙。
[0013]本案最終的諧振單元陣列由兩個或多個不同尺寸的諧振單元陣列交叉組成(根據(jù)理論分析，交錯排列是為了均勻?qū)μ掌澆ㄟM行調(diào)制，并且模擬的結(jié)果也顯示交錯布置才能夠達到對多個頻率太赫茲波的調(diào)制)，使得制備的太赫茲波調(diào)制器能對多個不同頻率的太赫茲波產(chǎn)生諧振效應(yīng)，最終在外部激光源的照射下，達到對多個頻率的太赫茲波進行幅度調(diào)制的目的；即本案相當(dāng)于在一個半導(dǎo)體襯底上集成了兩種或三種以上頻率的太赫茲波調(diào)制器，可以根據(jù)需要對兩種或三種以上頻率的太赫茲波進行調(diào)制，相對于分別使用多個襯底制成的多個太赫茲波調(diào)制器來說，本案有利于降低使用成本，具有更好的實用性和便利性；另外，也避免了需要調(diào)制不同頻率的太赫茲波時，需要重復(fù)制備帶來的成本提高。
[0014]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體襯底為砷化鎵襯底。砷化鎵襯底相對于其他半導(dǎo)體材料,如碳化硅和磷化銦等來說價格還是較低的，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟的。
[0015]優(yōu)選的，所述超材料諧振單元的制備材料為金。目前超材料諧振單元的制備材料有銅和金等，但金相對于其他材料具有更加優(yōu)良的傳導(dǎo)性。
[0016]優(yōu)選的，所述金屬鈦薄膜層的厚度為200?2000nm。厚度太薄不能完全覆蓋襯底，達不到連接半導(dǎo)體襯底和超材料諧振單元的效果。厚度過于厚又會浪費材料。
[0017]優(yōu)選的，所述同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元以矩形周期陣列方式布置在襯底上，不同尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元形成的矩形周期陣列的行、列間距相等。
[0018]有益效果:本發(fā)明提供的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，在一塊襯底上集成了兩個或多個頻率的太赫茲波調(diào)制器，可以根據(jù)需要對兩種或多種不同頻率的太赫茲波進行調(diào)制，由于金的價格較高，這樣就有利于降低使用成本，因此具有更好的實用性和便利性；另外，本發(fā)明提供的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝流程較短，有利于降低制備成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為現(xiàn)有技術(shù)制備的對單個頻率太赫茲波進行調(diào)制的太赫茲波調(diào)制器表面的超材料諧振單元陣列示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器的表面的超材料諧振單元陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的超材料諧振單元組示意圖；
[0022]圖4為針對圖1中的、具有單一尺寸的超材料諧振單元采用中時域有限差分(FDTD)方法模擬得到的對太赫茲波的透射特性曲線；[0023]圖5為針對圖2中的、具有兩種不同尺寸的超材料諧振單元采用時域有限差分(FDTD)方法模擬得到的對太赫茲波的透射特性曲線。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0025]如圖2所示為一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，包括太赫茲波可以投射的半導(dǎo)體襯底1、兩種尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2和金屬鈦薄膜層3，所述超材料諧振單元2設(shè)置在半導(dǎo)體襯底I上，金屬鈦薄膜層3設(shè)置在超材料諧振單元2和半導(dǎo)體襯底I上；同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元2以一種周期陣列方式布置在半導(dǎo)體襯底I上，兩種不同尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2交錯布置，且不同超材料諧振單元2之間彼此存在間隙。
[0026]本案中的所有超材料諧振單元2可以分為矩形陣列排布的若干超材料諧振單元組，每個超材料諧振單元組的構(gòu)成如圖3所示，兩種尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2以十字交叉方式排列，但是所有超材料諧振單元2的金薄膜厚度相同。
[0027]所述半導(dǎo)體襯底I為砷化鎵襯底，所述超材料諧振單元2的制備材料為金，所述金屬鈦薄膜層3的厚度為200?2000nm。
[0028]太赫茲波調(diào)制器工作時，太赫茲波依次通過超材料諧振單元2和半導(dǎo)體襯底I，并從半導(dǎo)體襯底I下表面射出，由太赫茲時域光譜儀(TDS)接收并檢測。當(dāng)以外部激光照射半導(dǎo)體襯底I時，產(chǎn)生的光生載流子會將所有超材料諧振單元2的開口處導(dǎo)通，超材料諧振單元2陣列不會對太赫茲波產(chǎn)生諧振效應(yīng)，因此太赫茲波的透過率較高；而無外部光源照射時，特定尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2陣列將會對特定頻率的太赫茲波產(chǎn)生強烈的諧振效應(yīng)，此時太赫茲波的透過率很低。當(dāng)兩種特定頻率的太赫茲波分別入射到相對應(yīng)的兩種不同尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2陣列上時，即可分別產(chǎn)生強烈的諧振效應(yīng)，此即意味著同一太赫茲波調(diào)制器可以對兩種不同頻率的太赫茲波的透射強度進行調(diào)制。通過TDS檢測到的太赫茲波的透射光譜反映的就是經(jīng)過調(diào)制的、強度變化速率與調(diào)制光相同的太赫茲波透射強度。圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)分別是采用時域有限差分(FDTD)方法設(shè)計的，將單個和兩個特定尺寸的金屬超材料諧振環(huán)單元按照一定的順序和周期排列在半導(dǎo)體襯底上得到的太赫茲調(diào)制器示意圖。圖4為針對圖1中的、具有單一尺寸的超材料諧振單元采用中文時域有限差分(FDTD)方法模擬得到的對太赫茲波的透射特性曲線。而圖5則為針對圖2中的、具有兩種不同尺寸的超材料諧振單元采用時域有限差分(FDTD)方法模擬得到的對太赫茲波的透射特性曲線。模擬結(jié)果表明將兩種特定尺寸規(guī)格的超材料諧振單元2按一定的順序和周期共同排列在同一半導(dǎo)體襯底上，其對兩種頻率的太赫茲波的調(diào)制深度，與具有單一尺寸的超材料諧振單元陣列的太赫茲波調(diào)制器相比只是略有下降，并且對兩種頻率的太赫茲波具有非常接近的調(diào)制深度，如圖5所示。
[0029]優(yōu)選的，本發(fā)明提供的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器的制備方法如下:
[0030]選取200?600m厚的砷化鎵襯底，在砷化鎵襯底上利用光刻、金屬蒸鍍、刻蝕等工藝技術(shù)，首先制備一層厚度在10?50nm的金屬鈦薄膜作為粘合層，然后在金屬鈦薄膜上制備以金薄膜材料為構(gòu)成材料的超材料諧振單元周期陣列，金薄膜材料的厚度為200?2000nm,而各超材料諧振單元的幾何形狀可為任意與太赫茲頻率對應(yīng)的電磁共振器單元的形狀。[0031]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:包括太赫茲波可以投射的半導(dǎo)體襯底(1)、兩種以上尺寸規(guī)格的超材料諧振單元(2)和金屬鈦薄膜層(3)，所述超材料諧振單元(2)設(shè)置在半導(dǎo)體襯底(I)上，金屬鈦薄膜層(3)設(shè)置在超材料諧振單元(2)和半導(dǎo)體襯底(I)上；同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元(2)以一種周期陣列方式布置在半導(dǎo)體襯底(I)上，不同尺寸規(guī)格的超材料諧振單元(2)交錯布置，且不同超材料諧振單元(2)之間彼此存在間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:所述半導(dǎo)體襯底(I)為砷化鎵襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:所述超材料諧振單元(2)的制備材料為金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:所述金屬鈦薄膜層(3)的厚度為200?2000nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多頻響應(yīng)太赫茲波調(diào)制器，其特征在于:所述同一種尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元(2)以矩形周期陣列方式布置在襯底(I)上，不同尺寸規(guī)格的所有超材料諧振單元(2)形成的矩形周期陣列的行、列間距相等。
【文檔編號】G02F1/01GK103984124SQ201410205385
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】張 雄, 馮麗麗, 廖民亮, 崔一平 申請人:東南大學(xué)