CN103178351A

CN103178351A - 一种频率可调的太赫兹波超材料调制器

Info

Publication number: CN103178351A
Application number: CN2013100625272A
Authority: CN
Inventors: 陈长虹; 孟德佳
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: CN103178351B

Abstract

本发明公开了一种频率可调的太赫兹波超材料调制器，包括周期排列的单元器件，每一个单元器件包括衬底、位于衬底上的功能材料层以及位于功能材料层上的金属谐振单元；当功能材料层从绝缘相变成金属相，功能材料层的电导率呈指数倍增加使得金属谐振单元的中间开口电容的面积增加，金属谐振单元的谐振频率随着电容的增大而变小实现了对单元器件的频率调谐。本发明采用在太赫兹波段低传输损耗衬底上制作周期排列的金属开口谐振单元、利用金属绝缘相变材料相变前后的电导率变化改变谐振单元开口电容的面积，实现了谐振频率可以调谐的太赫兹波超材料调制器，达到了在太赫兹波段对某一频率处的电磁传输特性进行主动性控制，获得大的开关比或高调制深度。

Description

一种频率可调的太赫兹波超材料调制器

技术领域

本发明属于电磁功能材料领域，更具体地，涉及一种频率可调的太赫兹波超材料调制器。

背景技术

太赫兹（Terahertz，THz）波是频率介于0.1～10THz（波长为3000～30μm）的电磁波，位于电子学范畴处于电子学向光子学过渡的特殊位置，具有很多优越的特性，在国防军事，卫星通信，医疗诊断等方面显示出了广阔的应用潜力。

金属绝缘相变（Metal–Insulator Transition，MIT）材料具有在外场激励条件下，材料电阻率、晶体结构发生变化的特性。在光开关、光存储等领域具有广泛的研究与应用。

超材料（Metamaterials，MMs）是指一类人工制造的复合结构，具有天然材料所不具备的电磁特性。通过有目的设置单元器件结构，实现对MMs的等效介电常数和等效磁导率的改变。2001年Smith等人通过金属谐振单元周期排列实现了微波领域的双负超材料，随后各种类型的金属谐振阵列器件被用于实现单负或双负超材料，随后人们将此结构引入太赫兹领域，出现了很多太赫兹波段基于金属图形阵列的超材料器件。

然而，现有的太赫兹波调制器大多针对固有频率进行幅度调制或者相位调制，为数不多的频率可调太赫兹波调制器采用对半导体载流子浓度的控制来实现频率调谐，但由于材料限制，调制后的峰值幅度变小或调制深度不佳。也有些器件为微机械结构或采用液晶材料，导致器件寿命和稳定性受到影响。这极大地限制了太赫兹波调制器的发展。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种频率可调的太赫兹波超材料调制器，旨在解决现有技术不能对太赫兹波超材料调制器的谐振频率进行调制或调制深度不够的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种频率可调的太赫兹波超材料调制器，包括周期排列的单元器件，每一个单元器件包括衬底、位于衬底上的功能材料层以及位于所述功能材料层上的金属谐振单元；当所述功能材料层从绝缘相变成金属相，所述功能材料层的电导率呈指数倍增加使得金属谐振单元的中间开口电容的面积增加，金属谐振单元的谐振频率随着电容的增大而变小实现了对单元器件的频率调谐。

更进一步地，所述功能材料层的材料为钒的氧化物或过渡金属氧化物。

更进一步地，所述功能材料层的材料为二氧化钒。

更进一步地，所述金属谐振单元为U型开口谐振环或电场耦合谐振器。

更进一步地，所述衬底为蓝宝石、石英或硅材料，厚度为200-450μm。

更进一步地，所述二氧化钒薄膜厚度为0.05-1μm。

更进一步地，所述金属谐振单元的厚度为0.15-1μm。

更进一步地，所述单元器件工作在太赫兹波段，所述单元器件尺寸小于等于工作波长的十分之一。

更进一步地，所述单元器件尺寸为3-300μm。

本发明采用在太赫兹波段低传输损耗衬底上制作周期排列的金属开口谐振单元、利用MIT相变材料相变前后的电导率变化改变谐振单元开口电容的面积，实现了谐振频率可以调谐的太赫兹波超材料调制器，达到了在太赫兹波段对某一频率处的电磁传输特性进行主动性控制，获得大的开关比或高调制深度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器的等效电路图；

图2是本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器的单元器件为U-SRRs结构的示意图；

图3是本发明实施例提供的U-SRRs单元器件的透射系数的模拟结果图；

图4是本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器的单元器件为ELC结构的示意图；

图5是本发明实施例提供的ELC单元器件的透射系数的模拟结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种主动的谐振吸收峰频率可调谐的太赫兹波超材料调制器，它利用MIT相变材料VO₂在外场激励下发生MIT相变对MMs中金属谐振单元的谐振吸收峰位进行调制，以及对吸收峰处的太赫兹波传输特性进行调制。该器件具有全固态、无机械结构、可逆调控等优点，在未来的太赫兹空间光通信器件中的开关、滤波器、编码器等领域具有潜在的应用价值。

本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器包括周期排列的单元器件，每一个单元器件包括衬底、位于衬底上的功能材料层以及位于功能材料层上的金属谐振单元；功能材料层的电导率从绝缘相变成金属相后，金属谐振单元的中间开口电容的面积增加，金属谐振单元的谐振频率随着电容的增大而变小实现了对单元器件的频率调谐。

在本发明实施例中，功能材料层的材料可以为3d过渡金属氧化物，例如钒的氧化物等。

作为3d过渡金属氧化物，VO₂具有在外场激励下发生MIT相变，从I相变成为M相后，其电导率可增大3～5个数量级，表现出良好的导电性。根据这种性质，VO₂在非制冷红外探测，光存储器件，热敏红外开关等领域的应用取得较大进展。

在本发明实施例中，金属谐振单元可以为U型开口谐振环（U-shapesSplit Ring Resonators，U-SRRs），还可以为电场耦合谐振器（Electric-LCresonator，ELC）。金属谐振单元的厚度为0.15-1μm。该金属谐振单元的基本原理都是在开口处形成电容，在垂直入射的电磁波外场激励下产生LC谐振，形成谐振吸收峰。

在本发明实施例中，单元器件工作在太赫兹波段，所述单元器件尺寸小于等于工作波长的十分之一。

图1示出了本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器的等效电路；金属谐振单元中间开口可作为电容C（图中虚线框部分），金属臂部分可作为电感L，形成LC回路产生LC谐振，VO₂的相变与否代表着开关的开（ON）与关（OFF）。当VO₂处于绝缘相（I相）时，等效电路图中开关断开（OFF），电路中只存在电容C1。当VO₂从I相变为金属相（M相）后，相当于增加金属ELC中间开口电容C的面积，等效电路图中开关闭合(ON)、总电容C为I相时电容C1与C2的并联；由于M相VO₂的电导率小于金属电导率，作为损耗所以引入等效电阻R。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器，功能材料层的材料以VO2为例，衬底以蓝宝石为衬底，厚度为340-380μm；周期排列的异质结外延VO2薄膜厚度为150nm；金属谐振单元厚度为200nm，采用的材料为金属铝Al为例并结合附图详述如下：

动态频率可调的太赫兹波超材料调制器包括底层衬底与周期排列的多个器件单元，其中每一个单元器件包括微细加工工艺在衬底上产生的VO₂与金属薄膜图形。衬底为蓝宝石、石英、硅等太赫兹波段低传输损耗的材料，厚度为200-450μm；VO₂薄膜厚度为0.05-1μm；金属厚度为0.15-1μm。金属图形可以为U-SRRs、ELC器件等可以产生LC谐振的结构。器件周期：宽L_x、高L_y；单元器件：VO₂电容的线宽为d，长度为t，电容两极板间距为g；金属图形单元线宽为w，宽A_x、高A_y，金属图形中开口作为电容C，开口大小也为g。

（1）当金属谐振单元为U型开口谐振环时，如图2所示，器件周期：宽L_x、高L_y；单元器件：VO₂电容的线宽为d，长度为t，电容两极板间距为g；金属图形单元线宽为w，宽A_x、高A_y，金属图形中开口作为电容C，开口大小为g。器件工作在太赫兹波段，单元器件尺寸应小于等于工作波长的十分之一，所以单元器件尺寸范围应在3-300μm。

蓝宝石上异质结外延结构VO₂的电导率从I相变成M相后发生5个数量级的变化，使得M相的VO₂表现出良好的导电性。将其放在金属谐振单元的开口处作为电容极板，当VO₂处于I相时，具有很低的电导率，在金属谐振单元开口处不起作用，开口处电容极板宽度即为金属谐振单元的线宽w；当VO₂处于M相时，具有很高的电导率，相当于增加了金属谐振单元开口处电容极板的宽度。根据公式，LC谐振频率

和电容C=4πεS/d，其中S为电容极板面积；LC谐振频率随着电容C的增大而变小，实现了对器件的频率调谐。

取各部分器件参数为L_x=L_y=28μm；A_x=A_y=20μm、w=3μm、g=3μm；d=3μm、t=13μm。

根据上述参数，频率可调的太赫兹波超材料调制器经CST MWS模拟仿真软件进行结构与性能模拟，得到透射系数如图3所示的电磁波传输特性。在图中看到：当VO₂处于I相时，调制器的LC谐振吸收峰在1.032THz频率处，透射系数为0.0849；当VO₂变成M相后，调制器的LC谐振吸收峰产生了0.24THz的红移，变成0.792THz，透射系数为0.3034；此外当VO₂从I相变为M相后，在1.032THz频率处的开关比达到了20.68dB，调制深度达到了81.13%。

（2）当金属谐振单元为电场耦合谐振器时，如图4所示，器件周期：宽L_x、高L_y；单元器件：VO₂电容的线宽为d，长度为t，电容两极板间距为g；金属图形单元线宽为w，宽A_x、高A_y，金属图形中开口作为电容C，开口大小为g。器件工作在太赫兹波段，单元器件尺寸应小于等于工作波长的十分之一，所以单元器件尺寸范围应在3-300μm。

工作原理同上，在此不再赘述。

取各部分器件参数为L_x=60μm、L_y=35μm；A_x=48μm、A_y=24μm、w=4μm、g=3μm；d=3μm、t=20μm。

根据上述参数，频率可调的太赫兹波超材料调制器经CST MWS模拟仿真软件进行结构与性能模拟，得到透射系数如图5所示的电磁波传输特性。在图中看到：当VO₂处于I相时，调制器的LC谐振吸收峰在1.032THz频率处，透射系数为0.0656；当VO₂变成M相后，调制器的LC谐振吸收峰产生了0.504THz的红移，变成0.798THz，透射系数为0.2386；此外当VO₂从I相变为M相后，在1.032THz频率处的开关比达到了21.4dB，调制深度达到了85.1%。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的频率可调的太赫兹波超材料调制器，现详述其工艺流程如下：

（1）在蓝宝石衬底上采用现有的各种沉积工艺外延生长VO₂薄膜；

（2）采用半导体加工工艺对VO₂薄膜进行微细加工，制作VO₂电容极板图形；

（3）继续在制作好图形的VO₂薄膜基础上制作金属谐振单元图形。

其中，可以采用诸如离子束溅射或磁控溅射等沉积工艺；可以采用的半导体加工工艺包括光刻掩膜、刻蚀。可以采用lift-off剥离技术制作金属谐振单元图形。

本发明利用半导体微细加工工艺进行制备，在未来的太赫兹空间光通信器件中诸如光开关、滤波器、编码器等集成功能器件领域具有潜在的应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种频率可调的太赫兹波超材料调制器，包括周期排列的单元器件，其特征在于，每一个单元器件包括衬底、位于衬底上的功能材料层以及位于所述功能材料层上的金属谐振单元；当所述功能材料层从绝缘相变成金属相，所述功能材料层的电导率呈指数倍增加使得金属谐振单元的中间开口电容的面积增加，金属谐振单元的谐振频率随着电容的增大而变小实现了对单元器件的频率调谐。

2.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述功能材料层的材料为钒的氧化物或过渡金属氧化物。

3.如权利要求2所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述功能材料层的材料为二氧化钒。

4.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述金属谐振单元为U型开口谐振环或电场耦合谐振器。

5.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、石英或硅材料，厚度为200-450μm。

6.如权利要求3所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述二氧化钒薄膜厚度为0.05-1μm。

7.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述金属谐振单元的厚度为0.15-1μm。

8.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述单元器件工作在太赫兹波段，所述单元器件尺寸小于等于工作波长的十分之一。

9.如权利要求1所述的太赫兹波超材料调制器，其特征在于，所述单元器件尺寸为3-300μm。