CN105676482A - 一种基于模式耦合的太赫兹调制器 - Google Patents

Abstract

一种基于模式耦合的太赫兹调制器,属于电磁功能器件技术领域，是由衬底、模式耦合人工微结构以及可控动态半导体材料构成。模式耦合人工微结构包括明模谐振单元与暗模谐振单元。暗模谐振单元位于明模谐振单元中央，两谐振单元发生模式耦合形成电磁感应透射窗。动态半导体材料位于暗模谐振单元开口处，在外加激励下，可以改变暗模工作模式从而影响明暗模之间的模式耦合，最终获得可调谐的电磁感应透射窗。本发明所设计的明模谐振单元与暗模谐振单元具有相同的谐振频率点，因而明暗模之间可以进行很好的耦合，其调制带宽具有较高的Q值与较大的调制深度。本发明可采用微细加工的方式进行加工，制备工艺成熟可靠。所得到的器件使用灵活方便，在太赫兹无线通信领域具有很大的潜在应用价值。

Description

一种基于模式耦合的太赫兹调制器

技术领域

该发明属于电磁功能器件技术领域，同时也属于包括调制器、滤波器、光导开关等在内的通信器件领域。

背景技术

太赫兹调制器作为太赫兹无线通信***的核心器件，成为近年来太赫兹动态器件领域的研究热点。太赫兹调制器可通过人工微结构与半导体材料相结合构成，通常是在半导体材料衬底上光刻一层人工微结构金属薄膜，在温度、光照以及电压激励条件下实现对太赫兹波的动态控制。该方案充分利用了人工微结构的频率响应特性和半导体材料的动态特性，是一种复合型结构方案。该方案所制备的太赫兹调制器虽然具备使用灵活方便、实现方式简单等优点，但同时也存在一些不足之处。首先，目前国内外采用的复合结构中的半导体材料通常为体材料，体材料会引入较大的寄生参量从而不利于调制速率的提高；其次，复合结构中的人工微结构通常为宽带谐振器，Q值较低不利于抑制带外杂波。最后，目前采用的人工微结构振荡模式多为LC振荡和偶极振荡，导致器件灵敏度不高调制深度有限。随着太赫兹无线通信***的不断发展，对调制器速率和效率提出了越来越高的要求，本发明针对这一需求，设计出了一种基于模式耦合的太赫兹调制器，很好的解决了调制速度与调制深度问题。

发明内容

该发明基于模式耦合人工微结构，改进设计一种具有动态可调电磁感应透射窗的太赫兹调制器，增大太赫兹波段调制器件的调制速度与调制深度。

本发明详细技术方案为一种基于模式耦合的太赫兹调制器,该调制器包括:衬底、明模谐振单元、暗模谐振单元、动态区，其中明模谐振单元、暗模谐振单元、动态区是位于衬底上的平面结构；明模谐振单元为两个结构相同、开口相对的“U”形振子；暗模谐振单元为带开口的环形结构，该开口朝向其中一个“U”形振子，所述暗模谐振单元设置于明模谐振单元的中心位置；动态区设置于暗模谐振单元的开口处，通过对动态区域的进行通断控制，实现对垂直穿过该器件太赫兹波的动态实时调制。

所述明模谐振单元、暗模谐振单元材料为为金、银、铜、铝；所述衬底材料为硅、蓝宝石、石英、砷化镓、碳化硅。

所述动态区材料为相变材料或超导材料,通过温度控制该区域的通断。

所述动态区材料为掺杂硅或掺杂砷化镓，通过光控制该区域的通断。

所述动态区材料为HEMT、石墨烯或铁电材料，通过电控制该区域的通断。

与其它太赫兹波段动态器件相比，本发明具有以下优点：(1)本发明是人工微结构与动态半导体材料相结合的新型复合结构，是作为太赫兹空间外部调制器进行工作的，可工作于常温、常压、非真空环境下，易于封装、方便使用。(2)模式耦合人工微结构利用了电磁诱导透明这一物理现象进行设计组合，具备丰富的物理意义与实际应用价值。(3)电磁诱导透射窗具有很高的Q值，因而有很好的频率选择特性与灵敏度。(4)利用动态半导体材料对暗模工作模式进行控制，实现了电磁感应透射窗的大幅度调制。(5)本发明为二维平面结构，相比于立体结构而言该结构可通过微细加工实现，工艺成熟、易于制备。

附图说明

图1为所发明模式耦合太赫兹调制器单元的结构示意图。

图2为明模谐振单元与暗模谐振单元设计原理图。

图3为所发明模式耦合太赫兹调制器的仿真结果图。

具体实施方式

基于模式耦合的太赫兹调制器单元如图1所示，是由衬底(1)、人工微结构(2,3)以及可控动态材料(4)构成。所述人工微结构是衬底上的金属薄膜经光刻之后得到的线宽为w的金属线条构成，厚度通常为200～500nm。该金属图案分为两部分，即明模谐振单元(2)与暗模谐振单元(3)。明模谐振单元是位于图案***的对称放置U型偶极振荡结构，它对入射电磁波有很强的谐振能力。该U型结构主臂长度ly，副臂长度lx，两个U型结构间距为s。暗模谐振单元是位于图案内部的边长为a，开口宽度为g的正方形开口谐振环，它对入射电磁波谐振能力较弱。我们将暗模谐振单元放置于明模谐振单元内部中央，两个谐振单元即可发生模式耦合。所述可控动态材料同样是通过光刻的方法在衬底上制备，然后经对准等操作将该材料设置于暗模谐振单元开口位置处。构成调制器的每个单元周期为Px×Py，最终得到的调制器是由无数结构单元构成。该调制器是对空间传播太赫兹波进行调制，太赫兹波对器件表面垂直入射，经调制过后由背面穿出最终被接收机所接收，属于透射式工作模式。该器件的动态控制是由外加激励对动态半导体材料进行诱导，从而改变其电导率/介电常数的大小。电导率/介电常数的改变会对暗模的谐振产生显著影响，暗模谐振状态的改变进而影响到明暗模之间的耦合，最终得到对太赫兹电磁波的幅度调制。

本发明所设计的模式耦合太赫兹调制器单元的具体尺寸参数为：Px＝94μm,Py＝104μm,lx＝32μm,ly＝84μm,s＝12μm,a＝34μm,g＝4.5μm,andw＝4μm。

由于模式耦合发生在同一谐振频率下，所以本发明所述暗模谐振单元与明模谐振单元具有相同的谐振频率点，如图2(a)和图2(b)所示。图2(a)为明模谐振单元的频谱，可以看出它具有较宽的谐振带宽和较高的谐振强度。图2(c)为明模谐振单元的表面电流与场分布图，其表面电流主要集中于U型结构的长边上，相应的电场集中于长边的两端，从场分布图中可以看出这是一种典型的偶极振荡模式。图2(b)为暗模谐振单元的频谱，它的谐振带宽较窄，谐振强度较弱。图2(d)为暗模谐振单元的表面电流与电场分布图，其表面电流分布于振荡回路上，电场分布于谐振回路开口处，这是一种典型的LC振荡模式。

该调制器为动态器件，动态区域采用掺杂砷化镓材料。图3(a)显示了该调制器在未加激励(OFF)与外加激励(ON)状态下的频谱曲线。在0.37THz频点处，未加光照时，透射系数为0.33；在光照激励状态下，透射系数变为0.02。我们进而可以得到94％的调制深度。图2(b)为未加激励状态下的表面电流与电场分布图。未加激励时，位于暗模开口处的动态半导体材料未被激发，谐振开口处断开。此时明暗模具有相同的谐振频率，由于模式耦合，明模上的能量被耦合到暗模上，所以图中暗模谐振单元的表面电流分布远大于明模谐振单元。同理电场也主要分布于暗模开口处。此时由于明模谐振的减弱与暗模谐振的增强，其整体效果表现为对入射电磁场谐振的减弱。所以在频谱图上出现了一个如图中灰色区域虚线所示的电磁感应透射窗。图2(c)为外加激励状态下的表面电流与电场分布图。外加激励时，位于暗模开口处的可控半导体材料被激发，此时暗模开口处于导通状态。暗模不再工作于之前的谐振频点，因而明暗模之间无法耦合。此时明模振荡明显，表面电流与电场均主要分布于明模谐振单元上。由于明模对入射电场有强烈的谐振，所以图中灰色区域中的实线是一个宽带的强谐振峰。

采用温度激励的方式，动态区材料使用相变材料，随着温度的升高相变材料会发生从半导体态到金属态的转变；在0.37THz频点处，当温度低于相变温度时，透射系数为0.33；当温度高于相变温度，透射系数变为0.02；

而对于电压激励的方式，动态区材料如果采用增强型HEMT，则随着栅极负电压的增大，HEMT中的二维电子气浓度逐渐增大，实现从断开到导通的一种转变。

Claims (5)

1.一种基于模式耦合的太赫兹调制器,该调制器包括:衬底、明模谐振单元、暗模谐振单元、动态区，其中明模谐振单元、暗模谐振单元、动态区是位于衬底上的平面结构；明模谐振单元为两个结构相同、开口相对的“U”形振子；暗模谐振单元为带开口的环形结构，该开口朝向其中一个“U”形振子，所述暗模谐振单元设置于明模谐振单元的中心位置；动态区设置于暗模谐振单元的开口处，通过对动态区域的进行通断控制，实现对垂直穿过该器件太赫兹波的动态实时调制。

2.如权利要求1所述的一种基于模式耦合的太赫兹调制器，其特征在于所述明模谐振单元、暗模谐振单元材料为为金、银、铜、铝；所述衬底材料为硅、蓝宝石、石英、砷化镓、碳化硅。

3.如权利要求1所述的一种基于模式耦合的太赫兹调制器，其特征在于所述动态区材料为相变材料或超导材料,通过温度控制该区域的通断。

4.如权利要求1所述的一种基于模式耦合的太赫兹调制器，其特征在于所述动态区材料为掺杂硅或掺杂砷化镓，通过光控制该区域的通断。

5.如权利要求1所述的一种基于模式耦合的太赫兹调制器，其特征在于所述动态区材料为HEMT、石墨烯或铁电材料，通过电控制该区域的通断。