CN108287418A - 一种太赫兹波电控调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹波电控调制器，包括：衬底层和多排金属微结构阵列；所述金属微结构阵列包括设置于衬底层表面的导电金属条和多个金属框，所述金属框沿着所述导电金属条长度方向设置，所述导电金属条与所述金属框形成封闭图案；所述金属框至少由两段导热金属条组成，所述导热金属条通过二氧化钒微粒块连接。本发明通过外加电流来控制微粒二氧化钒的金属‑绝缘相变，即调控二氧化钒微粒块的电导率，从而改变金属微结构的共振频率，实现对太赫兹波透射强度的高效、快速调控。

Description

一种太赫兹波电控调制器

技术领域

本发明涉及太赫兹功能器件领域，尤其涉及一种基于金属-二氧化钒微结构的太赫兹波电控调制器。

背景技术

主动控制电磁波振幅器件是微波、太赫兹、中远红外以及光纤通讯等诸多电磁波段中非常重要的器件。太赫兹波段(0.1-10THz)是应用较广的一种电磁波段，这是由于天然材料对太赫兹波的响应较弱，因此往往采用人工周期结构的超材料来操控太赫兹波。为了实现太赫兹波的主动调控，研究人员把超材料和一些可调控的材料如石墨烯、二氧化钒等结合起来调控太赫兹波。

二氧化钒是一种性能优异的相变材料，其在68℃左右存在着从绝缘态向金属态的一级相变。对应于太赫兹波谱，是从绝缘态时的高透过率转变为金属态的低透过率；并且相变过程可逆，即当温度从高温降为低温时，二氧化钒则会由金属态转变为绝缘态。同时，通过电流加热也能诱导二氧化钒发生相变。

已有的用于调控太赫兹波强度的金属和二氧化钒复合结构，都是基于金属微结构和二氧化钒薄膜，因此通过电流对二氧化钒加热产生相变时，所消耗的功率更大，且调制速度很慢。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种太赫兹波电控调制器，本申请提供的太赫兹波电控调制器可对太赫兹波进行频率选择性的振幅调制，且具有较小的功耗与高的调制速度。

有鉴于此，本申请提供了一种太赫兹波电控调制器，包括：

衬底层和多排金属微结构阵列；

所述金属微结构阵列包括设置于衬底层表面的导电金属条和多个金属框，所述金属框沿着所述导电金属条长度方向设置，所述导电金属条与所述金属框形成封闭图案；

所述金属框至少由两段导热金属条组成，所述导热金属条通过二氧化钒微粒块连接。

优选的，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条条形金属条与1条U型金属条。

优选的，所述封闭图案为矩形或正方形。

优选的，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条长短不同的相对设置的条形金属条与1条U形金属条。

优选的，所述衬底层的厚度为100μm～1mm，所述金属微结构阵列的厚度大于等于100nm，所述二氧化钒微粒块的厚度大于等于90nm。

优选的，所述二氧化钒微粒块为单晶二氧化钒块或多晶二氧化钒。

优选的，所述金属微结构阵列的金属材料为金、银或铝。

优选的，所述衬底层在100Ghz～10THz频率范围内为透明物质，所述衬底层的材料为硅或氧化铝。

优选的，所述金属微结构阵列均匀设置，所述金属框均匀设置。

优选的，还包括对所述金属微结构阵列施加电流的电极、引线、导电线圈与恒流电流源。

本申请提供了一种太赫兹波电控调制器，其将金属微结构阵列与二氧化钒微粒块结合到一起，该种结构同时起到提供电磁共振和连接外加电流两大作用，达到了将外加电流引入的目的，引入的电流对微粒二氧化钒加热并使其产生相变，因而该器件可以通过控制电流的强度来控制二氧化钒微粒相变过程，进而实现对不同频率太赫兹波振幅的主动调节，二氧化钒微粒相变所需的能耗较少；另一方面，基于电流的调节，相比较通过温度的调节，有着更加灵活方便的频率调节特性，在太赫兹频率范围内，可对电磁波进行频率选择性的振幅调制。

附图说明

图1为本发明太赫兹波电控调制器的结构示意图；

图2为本发明太赫兹波电控调制器的单元结构示意图；

图3为本发明为实施例1太赫兹波电控调制器的结构示意图；

图4为本发明实施例1太赫兹波电控调制器的透过率频谱；

图5为本发明实施例1太赫兹波电控调制器的调制范围和调制深度曲线图；

图6为本发明实施例1太赫兹波电控调制器在外加方波电流下的透射强度的时间响应曲线图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

现有技术中太赫兹波电控调制器的金属和二氧化钒的复合结构，其是基于金属微结构和二氧化钒薄膜，该种调制器二氧化钒发生相变所消耗的功率较高，且调制速度很慢；针对该问题，本申请提供了一种基于金属微结构阵列与二氧化钒微结构的太赫兹波电控调制器，其可对太赫兹波进行频率选择性的振幅调制，且具有较好的功耗以及较高的调制速度。具体的，本申请提供的太赫兹波电控调制器包括：

衬底层和多排金属微结构阵列；

所述金属微结构阵列包括设置于衬底层表面的导电金属条和多个金属框，所述金属框沿着所述导电金属条长度方向设置，所述导电金属条与所述金属框形成封闭图案；

所述金属框至少由两段导热金属条组成，所述导热金属条通过二氧化钒微粒块连接。

在本申请提供的上述太赫兹波电控调制器中，所述微结构是指厚度在1μm以内，一个结构单元的各个结构参数在几十至数百微米的范围内；阵列是指一个结构单元在xy平面内不断展开。本申请构建金属和二氧化钒复合微结构的阵列，是为了使最后整体的结构所占的面积大于太赫兹波的波阵面，即使得太赫兹完全从此阵列穿过；因为构建的结构对太赫兹波的调控是一个整体的效果，不是一个结构单元能够实现的，需要足够大的，理论上是无限个周期排列的结构单元的共同作用。而当微结构阵列的总面积大于太赫兹波的波阵面时，产生的效果就接近与无限个周期排列的结构单元。

本申请中，所述衬底层为本领域技术人员熟知的衬底层，示例的，所述衬底层在100Ghz～10THz频率范围内为透明物质，其材料包括但不仅限于二氧化钛、云母、硅或氧化铝。所述衬底层的厚度为100μm～1mm，在具体实施例中，所述衬底层的厚度为300～800μm。

在所述衬底层表面设置有多排金属微结构阵列，在具体实施例中，所述金属微结构阵列在所述衬底层上均匀设置。具体的，所述金属微结构阵列包括设置于衬底层表面的导电金属条和多个金属框，所述金属框沿着所述导电金属条长度方向设置，所述导电金属条与所述金属框形成封闭图案。在本申请中，所述导电金属条上设置的金属框的数目可根据实际应用需要设置，所述金属框的设置方向优选位于金属条的同一侧，所述金属框优选均匀设置即所述金属框的大小优选一致。

在本申请中，所述金属框至少由两段导热金属条组成，所述导热金属条通过二氧化钒微粒块连接。在本申请中，所述金属框可以由两段导热金属条组成，也可以由三段导热金属条组成，所述导热金属条的数目确定了，则所述二氧化钒微粒块的数目也就确定了。在某些具体实施例中，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条条形金属条与1条U型金属条。

在某些具体实施例中，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条长短不同的相对设置的条形金属条与1条U形金属条；该种太赫兹电控调制器的简易结构示意图如图1、图2所示，图中1为金属微结构阵列，2为二氧化钒微粒块，3为衬底层。在本申请中，所述二氧化钒微粒块只能与导热金属条连接，而不能与导电金属条连接，否则会造成开路，无法通电加热。

在本申请中，所述金属微结构阵列的厚度≥100nm，在某些具体实施例中，所述金属微结构阵列的厚度为150～300nm；所述二氧化钒微粒块的厚度≥90nm，在某些具体实施例中，所述二氧化钒微粒块的厚度为100～200nm。所述二氧化钒微粒块中的二氧化钒为单晶或多晶。

本申请所述太赫兹波电控调制器中还包括左右电极、引线、导电线圈、封装结构、恒流电流源等任何可能需要的外部结构，外部结构为本领域技术人员熟知的，对此本申请对外部结构的设置与连接关系没有特别的限制。

上述太赫兹波电控调制器按照以下方式制备得到：在衬底层上，通过分子束外延技术或者激光脉冲沉积技术生长一层厚度在90nm以上的二氧化钒单晶薄膜；然后通过紫外光刻技术以及反应离子刻蚀技术将二氧化钒薄膜刻蚀为微粒阵列；最后通过二次套刻技术以及电子束蒸发镀膜技术，将100nm以上的金属微纳共振结构阵列与二氧化钒微粒阵列结合。

图1为本发明太赫兹波电控调制器的一个具体实施例的结构示意图，图2为发明一个具体实施例的单元结构示意图。其中图1中的1为金属微结构阵列，2为二氧化钒微粒块，3为衬底层。对于该种调制器，当不通电流或者电流较小时，温度在二氧化钒相变温度以下，二氧化钒处于绝缘态，导热金属框是一个非对称的开口环，存在一个共振峰；当增大电流时，使温度在二氧化钒相变温度以上，此时二氧化钒微粒块处于金属态，导热金属框与二氧化钒微粒构成一个闭口环，太赫兹波透过谱的共振峰位置则会发生移动，利用这样的结构设计实现了电流控制的太赫兹波透过谱共振峰的变换。

在实际应用本申请提供的太赫兹波电控调制器时，恒流源通过左右电极施加给金属微结构阵列，通过电流给金属加热，而金属通过热传递将热传递给二氧化钒微粒，使二氧化钒升温由此控制二氧化钒的相变；通过调节电流的大小，即可控制二氧化钒的金属-绝缘相变的过程，因此可以调节二氧化钒微粒的电导率，从而可以控制太赫兹波的透过率。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的太赫兹波电控调制器进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

本实施例太赫兹波电控调制器的结构示意图如图3所示，其中太赫兹波电控调制器的3D结构如图3(a)所示，上层是金属微结构阵列与二氧化钒微粒阵列复合结构，下层是衬底层；其中二氧化钒厚度为100nm，Au厚度为150nm，衬底层厚度500μm，衬底层材料为三氧化二铝；左右两个电极外接了恒流源。图3(b)是金属微结构阵列与二氧化钒微粒阵列复合结构的细节，其中：P＝100μm，a＝70μm，b＝54μm，gap＝3μm，d＝20μm(d为两个二氧化钒微粒块的中心在垂直方向上的距离)。

图4是本实施例提供的太赫兹波电控调制器的实验测试的结果数据图，其中五条曲线代表通入不同的电流■曲线为电流0A下对应的太赫兹波透过谱，●曲线为电流0.58A下对应的太赫兹波透过谱，★曲线为电流0.62A下对应的太赫兹波透过谱，为电流0.64A下对应的太赫兹波透过谱，◆曲线为电流0.70A下对应的太赫兹波透过谱；由图4可知，当电流在0A时，即二氧化钒处于绝缘态时，透过谱在0.864THz处存在共振峰，而当电流增到到0.7A时，即二氧化钒处于金属态时，透过谱的共振峰红移到了0.63THz处。

图5是本实施例提供的太赫兹波电控调制器的实验测试的分析结果；图5(a)是太赫兹透射谱的共振频率随着外加电流值的变化曲线图，由图可知，在0.45A之前，共振频率为发生变化，即0.45A之前二氧化钒的温度未达到相变点；0.45A之后，二氧化钒开始发生相变。到0.7A后，共振频率也不再发生变化，即0.7A时二氧化钒完全相变到金属态了。图5(b)中▲曲线为0.864THz共振峰位置的调制深度随着外加电流的变化曲线，●曲线为0.63THz共振峰位置的调制深度随着外加电流的变化曲线，由图可知，当电流达到0.7A时，调制深度达到最大，此时，0.864THz处的调制深度为36％，0.63THz处的调制深度为54％。

图6为本实施例太赫兹波电控调制器在外加方波电流下的透射强度的时间响应曲线图，由图可知，本实施例提供的太赫兹波电控调制器可在几秒内完成透射波的调制。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹波电控调制器，其特征在于，包括：

衬底层和多排金属微结构阵列；

所述金属微结构阵列包括设置于衬底层表面的导电金属条和多个金属框，所述金属框沿着所述导电金属条长度方向设置，所述导电金属条与所述金属框形成封闭图案；

所述金属框至少由两段导热金属条组成，所述导热金属条通过二氧化钒微粒块连接。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条条形金属条与1条U型金属条。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述封闭图案为矩形或正方形。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述金属框由三段导热金属条组成，所述三段导热金属条为2条长短不同的相对设置的条形金属条与1条U形金属条。

5.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述衬底层的厚度为100μm～1mm，所述金属微结构阵列的厚度大于等于100nm，所述二氧化钒微粒块的厚度大于等于90nm。

6.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述二氧化钒微粒块为单晶二氧化钒块或多晶二氧化钒。

7.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述金属微结构阵列的金属材料为金、银或铝。

8.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述衬底层在100Ghz～10THz频率范围内为透明物质，所述衬底层的材料为硅或氧化铝。

9.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，所述金属微结构阵列均匀设置，所述金属框均匀设置。

10.根据权利要求1、2或4所述的太赫兹波电控调制器，其特征在于，还包括对所述金属微结构阵列施加电流的电极、引线、导电线圈与恒流电流源。