一種基于模式耦合的太赫茲調制器的制造方法
【技術領域】
[0001]該發(fā)明屬于電磁功能器件技術領域，同時也屬于包括調制器、濾波器、光導開關等在內的通信器件領域。
【背景技術】
[0002]太赫茲調制器作為太赫茲無線通信系統(tǒng)的核心器件，成為近年來太赫茲動態(tài)器件領域的研究熱點。太赫茲調制器可通過人工微結構與半導體材料相結合構成，通常是在半導體材料襯底上光刻一層人工微結構金屬薄膜，在溫度、光照以及電壓激勵條件下實現對太赫茲波的動態(tài)控制。該方案充分利用了人工微結構的頻率響應特性和半導體材料的動態(tài)特性，是一種復合型結構方案。該方案所制備的太赫茲調制器雖然具備使用靈活方便、實現方式簡單等優(yōu)點，但同時也存在一些不足之處。首先，目前國內外采用的復合結構中的半導體材料通常為體材料，體材料會引入較大的寄生參量從而不利于調制速率的提高;其次，復合結構中的人工微結構通常為寬帶諧振器，Q值較低不利于抑制帶外雜波。最后，目前采用的人工微結構振蕩模式多為LC振蕩和偶極振蕩，導致器件靈敏度不高調制深度有限。隨著太赫茲無線通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對調制器速率和效率提出了越來越高的要求，本發(fā)明針對這一需求，設計出了一種基于模式耦合的太赫茲調制器，很好的解決了調制速度與調制深度問題。

【發(fā)明內容】

[0003]該發(fā)明基于模式耦合人工微結構，改進設計一種具有動態(tài)可調電磁感應透射窗的太赫茲調制器，增大太赫茲波段調制器件的調制速度與調制深度。
[0004]本發(fā)明詳細技術方案為一種基于模式耦合的太赫茲調制器，該調制器包括:襯底、明模諧振單元、暗模諧振單元、動態(tài)區(qū)，其中明模諧振單元、暗模諧振單元、動態(tài)區(qū)是位于襯底上的平面結構；明模諧振單元為兩個結構相同、開口相對的“U”形振子;暗模諧振單元為帶開口的環(huán)形結構，該開口朝向其中一個“U”形振子，所述暗模諧振單元設置于明模諧振單元的中心位置;動態(tài)區(qū)設置于暗模諧振單元的開口處，通過對動態(tài)區(qū)域的進行通斷控制，實現對垂直穿過該器件太赫茲波的動態(tài)實時調制。
[0005]所述明模諧振單元、暗模諧振單元材料為為金、銀、銅、招;所述襯底材料為娃、藍寶石、石英、砷化鎵、碳化硅。
[0006]所述動態(tài)區(qū)材料為相變材料或超導材料，通過溫度控制該區(qū)域的通斷。
[0007]所述動態(tài)區(qū)材料為摻雜硅或摻雜砷化鎵，通過光控制該區(qū)域的通斷。
[0008]所述動態(tài)區(qū)材料為HEMT、石墨稀或鐵電材料，通過電控制該區(qū)域的通斷。
[0009]與其它太赫茲波段動態(tài)器件相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(I)本發(fā)明是人工微結構與動態(tài)半導體材料相結合的新型復合結構，是作為太赫茲空間外部調制器進行工作的，可工作于常溫、常壓、非真空環(huán)境下，易于封裝、方便使用。(2)模式耦合人工微結構利用了電磁誘導透明這一物理現象進行設計組合，具備豐富的物理意義與實際應用價值。(3)電磁誘導透射窗具有很高的Q值，因而有很好的頻率選擇特性與靈敏度。(4)利用動態(tài)半導體材料對暗模工作模式進行控制，實現了電磁感應透射窗的大幅度調制。(5)本發(fā)明為二維平面結構，相比于立體結構而言該結構可通過微細加工實現，工藝成熟、易于制備。
【附圖說明】
[0010]圖1為所發(fā)明模式耦合太赫茲調制器單元的結構示意圖。
[0011 ]圖2為明模諧振單元與暗模諧振單元設計原理圖。
[0012]圖3為所發(fā)明模式耦合太赫茲調制器的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0013]基于模式耦合的太赫茲調制器單元如圖1所示，是由襯底(1)、人工微結構(2，3)以及可控動態(tài)材料(4)構成。所述人工微結構是襯底上的金屬薄膜經光刻之后得到的線寬為w的金屬線條構成，厚度通常為200?500nm。該金屬圖案分為兩部分，即明模諧振單元(2)與暗模諧振單元(3)。明模諧振單元是位于圖案外圍的對稱放置U型偶極振蕩結構，它對入射電磁波有很強的諧振能力。該U型結構主臂長度ly，副臂長度lx，兩個U型結構間距為S。暗模諧振單元是位于圖案內部的邊長為a，開口寬度為g的正方形開口諧振環(huán)，它對入射電磁波諧振能力較弱。我們將暗模諧振單元放置于明模諧振單元內部中央，兩個諧振單元即可發(fā)生模式耦合。所述可控動態(tài)材料同樣是通過光刻的方法在襯底上制備，然后經對準等操作將該材料設置于暗模諧振單元開口位置處。構成調制器的每個單元周期為PxXPy，最終得到的調制器是由無數結構單元構成。該調制器是對空間傳播太赫茲波進行調制，太赫茲波對器件表面垂直入射，經調制過后由背面穿出最終被接收機所接收，屬于透射式工作模式。該器件的動態(tài)控制是由外加激勵對動態(tài)半導體材料進行誘導，從而改變其電導率/介電常數的大小。電導率/介電常數的改變會對暗模的諧振產生顯著影響，暗模諧振狀態(tài)的改變進而影響到明暗模之間的耦合，最終得到對太赫茲電磁波的幅度調制。
[00? 4]本發(fā)明所設計的模式親合太赫茲調制器單元的具體尺寸參數為:Px = 94μηι，Py =104μπι, Ix = 32μπι, Iy = 84μπι，s = 12μπι，a = 34μπι，g = 4.5μπι，and w = 4μπιο
[0015]由于模式耦合發(fā)生在同一諧振頻率下，所以本發(fā)明所述暗模諧振單元與明模諧振單元具有相同的諧振頻率點，如圖2(a)和圖2(b)所示。圖2(a)為明模諧振單元的頻譜，可以看出它具有較寬的諧振帶寬和較高的諧振強度。圖2(c)為明模諧振單元的表面電流與場分布圖，其表面電流主要集中于U型結構的長邊上，相應的電場集中于長邊的兩端，從場分布圖中可以看出這是一種典型的偶極振蕩模式。圖2(b)為暗模諧振單元的頻譜，它的諧振帶寬較窄，諧振強度較弱。圖2(d)為暗模諧振單元的表面電流與電場分布圖，其表面電流分布于振蕩回路上，電場分布于諧振回路開口處，這是一種典型的LC振蕩模式。
[0016]該調制器為動態(tài)器件，動態(tài)區(qū)域采用摻雜砷化鎵材料。圖3(a)顯示了該調制器在未加激勵(OFF)與外加激勵(ON)狀態(tài)下的頻譜曲線。在0.37THz頻點處，未加光照時，透射系數為0.33;在光照激勵狀態(tài)下，透射系數變?yōu)?.02。我們進而可以得到94%的調制深度。圖2(b)為未加激勵狀態(tài)下的表面電流與電場分布圖。未加激勵時，位于暗模開口處的動態(tài)半導體材料未被激發(fā)，諧振開口處斷開。此時明暗模具有相同的諧振頻率，由于模式耦合，明模上的能量被耦合到暗模上，所以圖中暗模諧振單元的表面電流分布遠大于明模諧振單元。同理電場也主要分布于暗模開口處。此時由于明模諧振的減弱與暗模諧振的增強，其整體效果表現為對入射電磁場諧振的減弱。所以在頻譜圖上出現了一個如圖中灰色區(qū)域虛線所示的電磁感應透射窗。圖2 (c)為外加激勵狀態(tài)下的表面電流與電場分布圖。外加激勵時，位于暗模開口處的可控半導體材料被激發(fā)，此時暗模開口處于導通狀態(tài)。暗模不再工作于之前的諧振頻點，因而明暗模之間無法耦合。此時明模振蕩明顯，表面電流與電場均主要分布于明模諧振單元上。由于明模對入射電場有強烈的諧振，所以圖中灰色區(qū)域中的實線是一個寬帶的強諧振峰。
[0017]采用溫度激勵的方式，動態(tài)區(qū)材料使用相變材料，隨著溫度的升高相變材料會發(fā)生從半導體態(tài)到金屬態(tài)的轉變；在0.37THz頻點處，當溫度低于相變溫度時，透射系數為
0.33；當溫度高于相變溫度，透射系數變?yōu)?.02;
[0018]而對于電壓激勵的方式，動態(tài)區(qū)材料如果采用增強型HEMT，則隨著柵極負電壓的增大，HEMT中的二維電子氣濃度逐漸增大，實現從斷開到導通的一種轉變。
【主權項】
1.一種基于模式耦合的太赫茲調制器，該調制器包括:襯底、明模諧振單元、暗模諧振單元、動態(tài)區(qū)，其中明模諧振單元、暗模諧振單元、動態(tài)區(qū)是位于襯底上的平面結構；明模諧振單元為兩個結構相同、開口相對的“U”形振子;暗模諧振單元為帶開口的環(huán)形結構，該開口朝向其中一個“U”形振子，所述暗模諧振單元設置于明模諧振單元的中心位置;動態(tài)區(qū)設置于暗模諧振單元的開口處，通過對動態(tài)區(qū)域的進行通斷控制，實現對垂直穿過該器件太赫茲波的動態(tài)實時調制。2.如權利要求1所述的一種基于模式耦合的太赫茲調制器，其特征在于所述明模諧振單元、暗模諧振單元材料為為金、銀、銅、鋁;所述襯底材料為硅、藍寶石、石英、砷化鎵、碳化娃。3.如權利要求1所述的一種基于模式耦合的太赫茲調制器，其特征在于所述動態(tài)區(qū)材料為相變材料或超導材料，通過溫度控制該區(qū)域的通斷。4.如權利要求1所述的一種基于模式耦合的太赫茲調制器，其特征在于所述動態(tài)區(qū)材料為摻雜硅或摻雜砷化鎵，通過光控制該區(qū)域的通斷。5.如權利要求1所述的一種基于模式耦合的太赫茲調制器，其特征在于所述動態(tài)區(qū)材料為HEMT、石墨稀或鐵電材料，通過電控制該區(qū)域的通斷。
【專利摘要】一種基于模式耦合的太赫茲調制器,屬于電磁功能器件技術領域，是由襯底、模式耦合人工微結構以及可控動態(tài)半導體材料構成。模式耦合人工微結構包括明模諧振單元與暗模諧振單元。暗模諧振單元位于明模諧振單元中央，兩諧振單元發(fā)生模式耦合形成電磁感應透射窗。動態(tài)半導體材料位于暗模諧振單元開口處，在外加激勵下，可以改變暗模工作模式從而影響明暗模之間的模式耦合，最終獲得可調諧的電磁感應透射窗。本發(fā)明所設計的明模諧振單元與暗模諧振單元具有相同的諧振頻率點，因而明暗模之間可以進行很好的耦合，其調制帶寬具有較高的Q值與較大的調制深度。本發(fā)明可采用微細加工的方式進行加工，制備工藝成熟可靠。所得到的器件使用靈活方便，在太赫茲無線通信領域具有很大的潛在應用價值。
【IPC分類】G02F1/01
【公開號】CN105676482
【申請?zhí)枴緾N201610014800
【發(fā)明人】張雅鑫, 喬紳, 趙運成, 梁士雄, 楊梓強
【申請人】電子科技大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月11日