CN110515223A - 一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器 - Google Patents

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Abstract

一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，属于电磁功能器件技术领域。所述相位调制器包括介质基板，位于介质基板上的、带M×N镂空圆孔的金属层，形成于镂空圆孔之中、介质基板之上的二氧化钒‑金属混合控制结构；其中，所述二氧化钒‑金属混合控制结构包括“工”字形金属，以及设置于“工”字形金属四个端点的二氧化钒；通过外加激光控制二氧化钒的电导率，实现相位调制器的谐振频率变化，进而调制入射电磁波的相位。本发明基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，利用带镂空圆孔的金属层超常透射结构的高透射率特性，在实现大于76°/3.2dB的相位调制的同时，透过率可达到约50％，在相位调制幅度较大的同时保证了较大的透射率。

Description

一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器
技术领域
本发明涉及太赫兹的相位调制器件，具体涉及一种基于二氧化钒的动态且相位连续可调的超表面，属于电磁功能器件技术领域。
背景技术
太赫兹波指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波，这种电磁波频率位于毫米波和红外之间，至今仍未得到很好的开发。而其在通信、成像、生命科学、空间技术、雷达技术等领域表现出了潜在的利用价值，具备极其重要的发展地位。
动态可调的太赫兹器件是太赫兹功能器件的研究重点，而其中动态调相器件则是太赫兹动态器件里不可或缺的一个种类。在通信***中，通常采用相移键控的方式对载波进行调制编码，然后通过相干解调或差分相干解调的方式对信息进行提取。这种编码方式有效提升了信息传输的速率，而且在抗噪声性能上也具有很大的优势。在雷达***中，传统的机械式扫描雷达需要复杂的馈电***、庞大的天线单元，且其扫描速率受机械运动的限制导致速率大幅度下降，而太赫兹雷达***对小型集成化、高速率有着极大的要求，这就需要采用相控阵雷达技术。相控阵雷达技术是利用动态调相器件对波束进行整形、定向，然后在空间中进行扫描的技术，该技术的重点在于对电磁波相位的控制，该技术无需机械运动且满足太赫兹雷达***的需求，是现代雷达***的一大发展方向。
针对通信和雷达***领域的相关相位调制技术要求，大相位变化及小传输损耗的动态相位调制器件成为了研究的热门。动态可调的太赫兹器件通常基于不同的超表面研制而成，其动态变化需要外界条件的刺激如热源、电场、激光等。通过外界刺激对超表面中的电磁特性可变材料进行控制，可以改变其电导率、等效介电常数或者等效磁导率等电磁特性，从而达到对超表面的静态频率响应进行动态控制的目的。
二氧化钒的相变特性在1959年被人发现，其低温状态下的单斜晶体相会由温度变化成高温金红石晶体相，相变温度为68℃。在单斜晶体相下，二氧化钒表现为绝缘体态，而在金红石晶体相下，二氧化钒表现为金属态，两相之间的电导率变化约有4个数量级，且两相之间的变化是可逆的。此外，二氧化钒的相变特性还被发现可发生在电场刺激以及激光刺激下，且激光刺激相变可以实现超快调制(皮秒级)，这为太赫兹超快功能器件提供了基础。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种结构简单、每dB相位变化大、相位变化线性度高、损耗小的透射型太赫兹相位调制器。该相位调制器将二氧化钒与人工超表面进行结合，利用二氧化钒的电导率变化特性对相位进行调制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，包括介质基板，位于介质基板上的、带M×N镂空圆孔的金属层，形成于镂空圆孔之中、介质基板之上的二氧化钒-金属混合控制结构；其中，所述二氧化钒-金属混合控制结构包括“工”字形金属，以及设置于“工”字形金属四个端点的二氧化钒；通过外加激光控制二氧化钒的电导率，实现相位调制器的谐振频率变化，进而调制入射电磁波的相位。
进一步地，所述介质基板为蓝宝石、硅、高阻硅、GaAs或碳化硅等半导体材料。
进一步地，所述“工”字形金属材料为Au、Ag、Cu或Al。
进一步地，所述M>2，N>2。
进一步地，所述二氧化钒-金属混合控制结构的面积占镂空圆孔面积的1/4～4/5。
进一步地，所述二氧化钒的长度a＝1/8b～1/2b，其中b为“工”字形金属的长度。
进一步地，所述“工”字形金属位于镂空圆孔的中心。
进一步地，所述镂空圆孔的尺寸可根据所需频率大小进行调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，结合带镂空圆孔的金属层超常透射结构与二氧化钒-金属混合控制结构，通过激光刺激来调节二氧化钒高速相变，最终实现太赫兹波的高速相位调制。
2、本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，利用带镂空圆孔的金属层超常透射结构的高透射率特性，在实现大于76°/3.2dB的相位调制的同时，透过率可达到约50％，在相位调制幅度较大的同时保证了较大的透射率。
3、本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，采用不同功率大小的激光对二氧化钒进行刺激时，二氧化钒的导电率呈规律变化，可实现相位的线性调制。
4、本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，结构简单，可用激光刻蚀、细微加工手段实现，加工工艺成熟，制作方便。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器的结构示意图；其中，1为介质基板，2为带镂空圆孔的金属层，3为混合控制结构中的“工”字形金属，4为混合控制结构中的二氧化钒；
图2为本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器中，单元结构的透射系数曲线(a)与透射相位曲线(b)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明提供了一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，首先设计基于超常透射(Extraordinary Optical Transmission)原理的金属表面(带镂空圆孔的金属层)，然后设计金属与二氧化钒的混合控制结构，通过外加不同功率的激光调制信号改变二氧化钒的导电率，最终通过改变超表面谐振特性来实现电磁波散射特性改变，进而实现对透射相位的连续变化控制。其相位移动原理为：当激光信号入射后，二氧化钒通过相变在绝缘态与金属态间变化，从而改变混合控制结构与超常透射结构间产生的电容，电容值的改变使得整个超表面的谐振特性改变，最终实现高透射率的大相位线性调制。
如图1所示，为本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器的结构示意图；包括介质基板1，位于介质基板上的、带M×N镂空圆孔的金属层结构，形成于镂空圆孔之中的二氧化钒-金属混合控制结构，二氧化钒-金属混合控制结构位于镂空圆孔内，其中金属结构为“工”字形，二氧化钒小块设置于“工”字形金属的四个端点上；通过外加激光控制二氧化钒的电导率，实现相位调制器的谐振频率变化，进而调制入射电磁波的相位。
如图2所示，为本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器单元结构示意图；在超常透射的镂空圆孔中设置二氧化钒-金属混合控制结构，控制结构的金属部分为“工”字形，二氧化钒小块设置于“工”字形的四个端点位置且与金属紧密连接，构成一个“工”字形的整体结构。其加工过程为：先采用激光刻蚀法将二氧化钒刻蚀成小块，再将控制结构的金属部分与带镂空圆孔的金属层镀于介质基板上。当太赫兹波入射到该单元表面时，控制结构的长杆部分构成电感L，控制结构与镂空圆孔的间隙形成电容C，单元结构表面产生LC谐振，同时控制结构本身又可形成偶极子谐振。该LC谐振、偶极子谐振与超常透射现象相结合，在透射曲线上形成一个高透射峰。该高透射峰的频率点由超常透射的镂空圆孔半径与控制结构的“工”字金属结构尺寸，以及二氧化钒的长宽决定，通过设置合适的尺寸得到最高的透射率。
本发明提供的一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，是通过激光入射改变二氧化钒的电导率来实现对太赫兹透射波相位的改变，二氧化钒电导率改变对应不同的激光入射功率。具体为：当激光入射到二氧化钒小块上时，二氧化钒发生光致相变现象，其电导率将在皮秒级的时间内发生改变，即改变了单元结构中LC谐振的电感L和电容C的值，其中主要影响为电容C的改变，同时偶极子谐振的谐振特性也因二氧化钒电导率改变而改变，这些改变共同影响了单元结构的超常透射现象发生的频率点，使得高透射峰频率蓝移，由于K-K关系，透射峰频率的移动将使得透射波相位发生变化，从而可以实现相位的调控。因此，通过外加激光调制信号可实现二氧化钒电导率的快速调节，进而实现透射相位的快速调控。
对本发明基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器进行仿真后发现其效果显著，可行性极高。如图3所示，随着二氧化钒电导率的增大，透射峰的频率表现为蓝移，对应的相位变化大于76°，对应的***损耗约为3dB即透射率约为50％，且相位随电导率变化而呈线性变化。由此可见，本发明相位调制器具有高透射率、大相位变化的特性，可应用于相移键控通信***及相控阵雷达***。
尽管上述材料已经详细说明了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，包括介质基板，位于介质基板上的、带镂空圆孔的金属层，形成于镂空圆孔之中的二氧化钒-金属混合控制结构；其中，所述二氧化钒-金属混合控制结构包括“工”字形金属，以及设置于“工”字形金属四个端点的二氧化钒；通过外加激光控制二氧化钒的电导率，实现相位调制器的谐振频率变化，进而调制入射电磁波的相位。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，其特征在于，所述介质基板为蓝宝石、硅、高阻硅、GaAs或碳化硅。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，其特征在于，所述“工”字形金属材料为Au、Ag、Cu或Al。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，其特征在于，所述二氧化钒-金属混合控制结构的面积占镂空圆孔面积的1/4～4/5。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，其特征在于，所述二氧化钒的长度a＝1/8b～1/2b，其中b为“工”字形金属的长度。
6.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的太赫兹动态相位调制器，其特征在于，所述“工”字形金属位于镂空圆孔的中心。
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