CN110112513A - 一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关 - Google Patents

一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，属于电磁功能器件技术领域。本发明通过将具有相变性质的二氧化钒周期的嵌套到一维亚波长金属刻槽结构中，利用二氧化钒薄膜绝缘态到金属态的相变性质，从而实现对一维亚波长金属刻槽结构的形态重构。一维亚波长金属刻槽结构形态发生变化时，其表面所支持的仿表面等离子体波的色散同时发生变化，引起其截止频率的变化，最终实现对其表面传输的太赫兹仿表面等离子体波传输特性的控制。通过仿真与实验证明，该片上太赫兹开关工作带宽宽，开关比高，便于与其他太赫兹片上器件集成，有助于实现太赫兹器件的小型化。

Description

一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关。
背景技术
太赫兹动态功能器件在许多领域都具有广泛应用，如无创医疗检查，无损故障分析，安全监控和下一代高速无线通信网络。然而由于在自然界的常规材料中很难在太赫兹频段产生有效的电磁响应，因此对于太赫兹波的调控技术发展受到限制。近几年来，可重构太赫兹超材料概念的出现为实现太赫兹波操控提供一种有效的技术路线。超材料是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。由于超材料具有非凡的电磁特性，比如人造磁性，负折射率，手性，偏振控制，以及频率选择性吸收等，可重构超材料引起了研究人员广泛的关注。目前已有大量的工作提出各种不同的超材料重构方式来控制太赫兹波，比如电控，光控，温控以及机械控制，其中涉及到了半导体材料，超导材料，相变材料，石墨烯，液晶，以及微机电技术等。自此，一系列太赫兹功能器件相继被提出来控制太赫兹的各种电磁特性，比如太赫兹波幅度，相位，极化方向，吸收特性，以及传输方向与波束成形等。
然而随着太赫兹***不断发展，便于集成，紧凑，高效的片上太赫兹功能器件需求日益突出，但是基于重构超材料的太赫兹动态器件多是采用准光装置，这种方式器件笨重且不便集成，因此需要探究其他方式实现太赫兹波片上操纵方式。仿表面等离子波固有的色散特性，场限制特性，以及亚波长特性有望对太赫兹片上操纵提供新的解决方案。在2013年，东南大学第一次在微波波段实验验证了一种基于柔性材料基底的一维亚波长金属刻槽结构支持仿表面等离子波。2017年，基于变容二极管的一种可重构且可编程的仿表面等离子的技术方案被公开。然而，基于其他控制方式来控制这种基于可重构一维亚波长金属刻槽结构所支持的仿表面等离子体波却少有报道和研究。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，呈轴对称分布，包括第一共面波导1、第一过渡结构2、控制区3、第二过渡结构4、第二共面波导5、金属线和介质基板；第一共面波导1、第一过渡结构2、控制区3、第二过渡结构4、第二共面波导5依次连接并位于介质基板的上表面；
共面波导1、5自上至下分别为第一共面波导金属覆层、第一缝隙、第二共面波导金属覆层、第二缝隙和第三共面波导金属覆层；金属线位于介质基板的上表面，由第一共面波导1的第二共面波导金属覆层延伸至第二共面波导5的第二共面波导金属覆层；
过渡结构2、4包括两个扩口形金属覆层和过渡金属结构；第一扩口形金属覆层的上边界与介质基板的上边界重合，下边界由第一共面波导金属覆层的下边界曲线延伸至介质基板的上边界；第二扩口形金属覆层的下边界与介质基板的下边界重合，上边界由第三共面波导金属覆层的上边界曲线延伸至介质基板的下边界；过渡金属结构是等间距排列的一组金属条，以金属线为轴对称并与金属线垂直；
控制区3包括周期排列的H形亚波长金属刻槽结构7和二氧化钒薄膜6；H形亚波长金属刻槽结构7以金属线为轴对称并与金属线垂直；二氧化钒薄膜6嵌套于H形亚波长金属刻槽结构7的上下槽中。
过渡金属结构的上下边界连接成曲线，曲线由金属线的一侧延伸至与过渡结构相邻的第一个H形亚波长金属刻槽结构7的一侧。
H形亚波长金属刻槽结构7的个数N为大于等于2的正整数。
介质基板的材料为石英、碳化硅或者蓝宝石。
本发明的有益效果是：
本发明采用共面传输线馈电，通过过渡区转换有效的将太赫兹波引入到控制区转换为仿表面等离子体波，减小对太赫兹波的反射；采用二氧化钒薄膜作为控制材料，可通过温度以及激光照射诱导其发生相变，便于操作与实现，且使得该开关可作为***过热的保护装置；工作频率可通过仿表面等离子体传输线一维亚波长金属刻槽结构的几何参数调整而改变，方便开关工作频率的调整；工作带宽宽，开关比高，可满足器件对于宽带宽开关的要求；能有效缩短器件的长度，满足太赫兹***对于芯片级小型化的需求；可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，解决了太赫兹波段的功能器件立体结构普通机械加工手段难以加工实现的问题；针对波导传播太赫兹电磁波，可工作于常温、常压、非真空条件下，易于封装、集成。
附图说明
图1为本发明所述开关的整体结构正面平面示意图；
图2为本发明所述控制区中H形亚波长金属刻槽结构和二氧化钒薄膜的结构示意图；
图3为二氧化钒处于绝缘态时的结构示意图；
图4为二氧化钒处于金属态时的结构示意图；
图5为二氧化钒处于两种状态时的色散曲线图；
图6为实施例所述开关仿真与实验的S21参数对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，其整体正面平面结构示意图如图1所示，呈轴对称分布，包括第一共面波导1、第一过渡结构2、控制区3、第二过渡结构4、第二共面波导5、金属线和介质基板；第一共面波导1、第一过渡结构2、控制区3、第二过渡结构4、第二共面波导5依次连接并位于介质基板的上表面；
共面波导1、5自上至下分别为第一共面波导金属覆层、第一缝隙、第二共面波导金属覆层、第二缝隙和第三共面波导金属覆层；金属线位于介质基板的上表面，由第一共面波导1的第二共面波导金属覆层延伸至第二共面波导5的第二共面波导金属覆层；
过渡结构2、4包括两个扩口形金属覆层和过渡金属结构；第一扩口形金属覆层的上边界与介质基板的上边界重合，下边界由第一共面波导金属覆层的下边界曲线延伸至介质基板的上边界；第二扩口形金属覆层的下边界与介质基板的下边界重合，上边界由第三共面波导金属覆层的上边界曲线延伸至介质基板的下边界；过渡金属结构是等间距排列的一组金属条，以金属线为轴对称并与金属线垂直；
控制区3包括周期排列的H形亚波长金属刻槽结构7和二氧化钒薄膜6，其结构示意图如图2所示；H形亚波长金属刻槽结构7以金属线为轴对称并与金属线垂直；二氧化钒薄膜6嵌套于H形亚波长金属刻槽结构7的上下槽中。
过渡金属结构的上下边界连接成曲线，曲线由金属线的一侧延伸至与过渡结构相邻的第一个H形亚波长金属刻槽结构7的一侧。
H形亚波长金属刻槽结构7的个数N为大于等于2的正整数。
介质基板的材料为石英、碳化硅或者蓝宝石。
由于控制区3内的结构单元为复合结构单元，随着氧化钒薄膜由绝缘态到金属态的转变，因此可以复合结构单元具有两种不同的工作状态，如图3-4所示，通过仿真软件计算了两种状态下色散曲线如图5所示，通过比较两种不同状态下的色散曲线，可以得出，两种不同的工作状态具有两种不同的截止频率，因此该器件的传输特性随着氧化钒的相位的变化而改变。通过实验与仿真结果比较，如图6所示，实验结果与仿真结果基本吻合，连通状态，实验测得S21为-6dB,断开状态，实验测得，S21小于-20dB，并且由实验结果表明，从0.22THz到0.285THz,该器件具有良好的开关特性，工作带宽可达65GHz。
本实施例的工作频率可通过仿表面等离子体传输线一维亚波长金属刻槽结构的几何参数调整而改变，方便开关工作频率的调整。
本实施例将具有相变性质的二氧化钒周期的嵌套到一维亚波长金属刻槽结构中，利用二氧化钒薄膜绝缘态到金属态的相变性质，从而实现对一维亚波长金属刻槽结构的形态重构。同时由于一维亚波长金属刻槽结构表面所支持的表面等离子波的色散决定于一维亚波长金属刻槽结构的具体结构参数，因此一维亚波长金属刻槽结构形态发生变化时，其表面所支持的仿表面等离子体波的色散同时发生变化，引起其截止频率的变化，最终实现对其表面传输的太赫兹仿表面等离子体波传输特性的控制。通过仿真与实验证明，本实施例所述片上太赫兹开关工作带宽宽，开关比高，便于与其他太赫兹片上器件集成，有助于实现太赫兹器件的小型化。

Claims (4)

1.一种基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，其特征在于，呈轴对称分布，包括第一共面波导(1)、第一过渡结构(2)、控制区(3)、第二过渡结构(4)、第二共面波导(5)、金属线和介质基板；第一共面波导(1)、第一过渡结构(2)、控制区(3)、第二过渡结构(4)、第二共面波导(5)依次连接并位于介质基板的上表面；
共面波导(1、5)自上至下分别为第一共面波导金属覆层、第一缝隙、第二共面波导金属覆层、第二缝隙和第三共面波导金属覆层；金属线位于介质基板的上表面，由第一共面波导(1)的第二共面波导金属覆层延伸至第二共面波导(5)的第二共面波导金属覆层；
过渡结构(2、4)包括两个扩口形金属覆层和过渡金属结构；第一扩口形金属覆层的上边界与介质基板的上边界重合，下边界由第一共面波导金属覆层的下边界曲线延伸至介质基板的上边界；第二扩口形金属覆层的下边界与介质基板的下边界重合，上边界由第三共面波导金属覆层的上边界曲线延伸至介质基板的下边界；过渡金属结构是等间距排列的一组金属条，以金属线为轴对称并与金属线垂直；
控制区(3)包括周期排列的H形亚波长金属刻槽结构(7)和二氧化钒薄膜(6)；H形亚波长金属刻槽结构(7)以金属线为轴对称并与金属线垂直；二氧化钒薄膜(6)嵌套于H形亚波长金属刻槽结构(7)的上下槽中。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，其特征在于，过渡金属结构的上下边界连接成曲线，曲线由金属线的一侧延伸至与过渡结构相邻的第一个H形亚波长金属刻槽结构(7)的一侧。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，其特征在于，H形亚波长金属刻槽结构(7)的个数N为大于等于2的正整数。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐仿表面等离子体的宽带片上太赫兹开关，其特征在于，介质基板的材料为石英、碳化硅或者蓝宝石。
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