本发明公开了一种新型太赫兹超导调制器，包括由金膜构成的电极、氧化镁基片和生长在所述氧化镁基片上的氮化铌薄膜，所述氮化铌薄膜包括多个周期排列的单元结构，所述单元结构由鱼鳞状结构谐振器与双L型结构谐振器复合构成，每排所述鱼鳞状结构谐振器彼此相连后并联在两端的电极上。本发明还公开了制备上述新型太赫兹超导调制器的方法以及利用所述新型太赫兹超导调制器的调制方法。本发明结构简单、新颖，使用的超导材料氮化铌，在太赫兹波段比常规金属材料具有极低的欧姆损耗，并具有良好的调谐性能，同时可利用很小的电压实现较大的透射峰调制率，调制方法简单快捷。
1.一种新型太赫兹超导调制器，其特征在于，包括由金膜构成的电极、氧化镁基片和生长在所述氧化镁基片上的氮化铌薄膜，所述氮化铌薄膜包括多个周期排列的单元结构，所述单元结构由鱼鳞状结构谐振器与双L型结构谐振器复合构成，每排所述鱼鳞状结构谐振器彼此相连后并联在两端的电极上。
2.根据权利要求1所述新型太赫兹超导调制器，其特征在于，所述氮化铌为超导氮化铌，所述氮化铌薄膜的厚度为150nm。
3.根据权利要求1所述新型太赫兹超导调制器，其特征在于，所述氧化镁基片的厚度为
4.一种新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)生长氮化铌薄膜：清洗氧化镁基片，采用交流磁控溅射工艺沉积氮化铌薄膜；(2)甩一层光刻胶：在所述氮化铌薄膜上，甩一层光刻胶；(3)紫外曝光与显影：在光刻机上放置涂好光刻胶的氧化镁基片和掩模板并对准，所述掩膜板的结构为周期结构，曝光完以后接着用正胶显影液进行显影，然后进行后烘；(4)刻蚀氮化铌结构：通过反应离子刻蚀工艺，在所述氧化镁基片的表面加工出周期性的氮化铌结构，所述氮化铌结构是由鱼鳞状结构谐振器和双L型结构谐振器组成；(5)甩两层光刻胶：在所述氮化铌结构上，依次甩两层光刻胶LOR与AZ1500；(6)重复所述步骤(3)；(7)在所述光刻胶AZ1500和露出的氧化镁基片上蒸发一层金属，将蒸发一层金属的氧化镁基片剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后去除剩余的光刻胶LOR得到两条金膜电极。
5.根据权利要求4所述新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，首先采用丙酮、酒精、去离子水超声清洗大小为10mm×10mm,厚度为1mm的氧化镁基片，采用交流磁控溅射工艺沉积厚度为150nm的氮化铌薄膜。
6.根据权利要求4所述新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中，在所述氮化铌薄膜上，甩一层光刻胶AZ1500，预转速600rpm，稳定转速
6000rpm，时间分别为6/20秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟，利用光刻机对所述光刻胶AZ1500进行曝光，时间为17秒，曝光完以后用正胶显影液进行显影，时间为12秒，然后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
7.根据权利要求4所述新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，使用反应离子刻蚀工艺，通过气体CHF3和SF6，控制气体流量40sccm和10sccm，刻蚀时间3分钟，在所述氧化镁基片表面加工出周期性的氮化铌结构。
8.根据权利要求4所述新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在所述氮化铌结构上，依次甩两层光刻胶LOR与AZ1500，先甩下层光刻胶LOR，预转速
600rpm，稳定转速4000rpm，时间分别为6/40秒，烘烤温度150℃，时间为5分钟；再甩上层光刻胶AZ1500，转速分别为600/6000rpm，时间为6/30秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟，利用光刻机对所述光刻胶LOR与AZ1500再次曝光，时间为16秒，曝光完用正胶显影液进行显影，时间15秒，然后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
9.根据权利要求4所述新型太赫兹超导调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，在所述光刻胶AZ1500和露出的氧化镁基片上蒸发一层金属，将蒸发一层金属的氧化镁基片浸泡在丙酮溶液中剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后用显影液去除剩余的光刻胶LOR得到两条金膜电极。
10.一种利用如权利要求1所述新型太赫兹超导调制器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述新型太赫兹超导调制器垂直固定在配有光学窗口的液氦连续流杜瓦的样品架上，通过导线连接所述新型太赫兹超导调制器的正负电极，导出并与电源表相接；
2)将杜瓦样品腔抽到真空状态，然后降低并保持杜瓦样品腔温度在4.5K；
3)利用电源表，向所述新型太赫兹超导调制器外加0～2V间的直流电压，通过太赫兹时域光谱仪分别测得4.5K温度下，不同外加电压幅度下的所述新型太赫兹超导调制器的透射传输谱。
新型太赫兹超导调制器及调制方法
技术领域
[0001] 本发明属于太赫兹波传输技术领域，特别涉及一种新型太赫兹超导调制器及调制方法。
背景技术
[0002] 随着太赫兹技术的飞速发展，其在材料特性研究、生物医学、成像、通信等领域展现了重大的科学价值和广阔的应用前景。要实现对太赫兹波切实有效的应用，特别是在太赫兹传输方面，太赫兹调制器之类的功能器件至关重要。随着近年来的研究发展，有人开始提出利用电磁超材料结构实现太赫兹调制器。
[0003] 电磁超材料的电磁性能高度依赖于其组成的单元几何结构,人们只需要通过设计谐振器的结构就可以灵活地控制其电磁特性，在转换器、开关、调制器等功能器件方面展现了巨大的应用前景，尤其是在信号传输的调制方面。同时，超导超材料与普通金属超材料相比，具有极低的欧姆损耗且对外在环境敏感，具有良好的调谐特性。现有的超导超材料太赫兹调制器多以改变外加温度、磁场、光强进行调控，调控方式较为繁琐，不利于广泛应用，而现有的半导体超材料调制器，所需控制电压较高且调制范围较低，结构较为复杂。
发明内容
[0004] 发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种新型太赫兹超导调制器及调制方法，通过简单的外加控制电压调制，实现对太赫兹信号传输的调控。本发明结构简单、新颖，使用的超导材料氮化铌，在太赫兹波段比常规金属材料具有极低的欧姆损耗，并具有良好的调谐性能，同时可利用很小的电压实现较大的透射峰调制率，调制方法简单快捷。
[0005] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种新型太赫兹超导调制器(简称“调制器”)的设计及使用电压调制的方法，使得太赫兹频段的谐振器透射峰在外加电压的作用下实现幅度和峰值点频率的调谐。
[0006] 太赫兹超导调制器设计的单元结构，由鱼鳞状结构谐振器与双L型结构谐振器复合构成。调节鱼鳞状谐振器和双L型谐振器的形状、尺寸，从而调节两部分谐振器复合产生的调制器透射峰。例如，调节鱼鳞状谐振器，使其单独激发的谐振频率为0.6THz，调节双L型谐振器，使其单独激发的谐振频率为0.41THz，将两部分谐振器复合共同激发，在0.53THz处产生透射峰。在基于氧化镁基片的调制器上，单元结构周期排列，每排鱼鳞状结构谐振器彼此连接并联在两端由金膜构成的电极上。
[0007] 一种利用新型太赫兹超导调制器的调制方法，包括外加电压调控透射峰的幅度与频率，具体包括如下步骤：
[0008] (1)将调制器垂直固定在配有光学窗口的低温杜瓦的样品架上，通过导线连接调制器的正负电极导出并与电源表相接，并将搭建好的调制器连同杜瓦放入太赫兹时域光谱系统中合适位置
[0009] (2)将杜瓦样品腔抽到真空状态，然后降低并保持样品腔温度在4.5K；
[0010] (3)向封闭的太赫兹时域光谱系统充入氮气，使湿度小于5％RH；
[0011] (4)通过电源表，向调制器分别外加0～2V间的直流电压；
[0012] (5)通过太赫兹时域光谱仪测得4.5K温度下，不同外加电压条件下调制器的透射传输谱；
[0013] 有益效果：该结构的太赫兹调制器相比以往，结构简单新颖，选用氮化铌超导超材料具有更高的能隙频率和超导转变温度，较普通金属具有极低的欧姆损耗和可调谐性，提高了调制器的性能，具有更高的调制率，同时，调制所需的电压较小，仅为2V。
附图说明
[0014] 图1为太赫兹超导调制器的单元结构示意图；
[0015] 图2为太赫兹超导调制器的局部结构示意图；
[0016] 图3为太赫兹超导调制器整个样品及样品架照片；
[0017] 图4为本发明的太赫兹调制器的测试样例在0V、2V外加直流电压调制下的传输谱图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0019] 一、设计新型太赫兹超导调制器
[0020] 为设计新型太赫兹超导调制器的结构，研究了各种各样的超材料结构。但是之前的结构大多较为复杂，调制率不够高，调制所需的外加电压值较大，同时基于超导转变温度与能隙频率较高的氮化铌超导薄膜，我们设计了一种简单的以氧化镁为基片的太赫兹超导调制器结构，示意图如图1所示，该调制器的整体结构为MgO-NbN+Au(电极)，并且在0.53THz附近产生一较明显的透射峰。该氮化铌结构(薄膜)是由鱼鳞状结构谐振器和双L型结构谐振器组成，选择这种结构主要原因在于结构形状比较简单，制作容易，同时每排彼此连接鱼鳞状结构谐振器并联在正负电极上，也可以充当导线的作用。
[0021] 为确定该结构的具体参数，先用基于时域积分算法的电磁场软件CST进行大量模拟仿真，x与y方向分别设置为电边界与磁边界，电磁场传输方向沿着z方向,最后根据传输特性确定最佳具体参数。图1中氧化镁基片(简称“基片”)的厚度d＝1mm，氮化铌结构(薄膜)的厚度为150nm，金属电极厚度200nm,P_x＝P_y＝84μm。氮化铌材质的单元结构中a＝40μm，b＝68μm，c＝62μm，e＝4μm，h＝28μm，s＝7μm，所有结构线宽w＝5μm。
[0022] 二、太赫兹超导调制器器加工制作
[0023] 按照如图1模拟的太赫兹超导调制器结构参数进行实际制作，首先用L-edit软件将图1的结构画出掩膜板文件，再做成掩膜板。接着样品制作的具体步骤过程如下：
[0024] (1)生长氮化铌薄膜
[0025] 首先丙酮、酒精、去离子水超声清洗大小为10mm×10mm,厚度为1mm的氧化镁基片，采用交流磁控溅射工艺沉积厚度为150nm的氮化铌薄膜。
[0026] (2)甩一层光刻胶
[0027] 在氮化铌薄膜上，甩一层光刻胶AZ1500，预转速600rpm，稳定转速6000rpm，时间分别为6/20秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
[0028] (3)紫外曝光与显影
[0029] 在光刻机上放置涂好光刻胶的基片和掩模板(MASK)并对准，掩膜板结构为周期结构。曝光时间为17秒，曝光完以后接着用正胶显影液进行显影，显影时间为12秒，然后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
[0030] (4)刻蚀氮化铌结构
[0031] 通过反应离子刻蚀工艺，使用气体CHF3和SF6，控制气体流量40sccm和10sccm，刻蚀时间3分钟，在氧化镁基片的表面加工出周期性的氮化铌调制器结构。
[0032] (5)甩两层光刻胶
[0033] 在氮化铌调制器上，依次甩两层光刻胶LOR与AZ1500，先甩下层光刻胶LOR，预转速600rpm，稳定转速4000rpm，时间分别为6/40秒，烘烤温度150℃，时间为5分钟。再甩上层光刻胶AZ1500，预转速600rpm，稳定转速6000rpm，时间分别为6/30秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
[0034] (6)重复第三步，但曝光时间为16秒，显影时间为15秒。
[0035] (7)在所述光刻胶AZ1500和露出的氧化镁基片上蒸发一层金属，将蒸发一层金属的基片浸泡在丙酮溶液中剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后用显影液去除剩余的光刻胶LOR得到太赫兹超导调制器的两条金膜电极。
[0036] 经过以上程序，就可以得到如图2所示太赫兹超导调制器，整个传感器大小为10mm×10mm。
[0037] 三、太赫兹超导调制器电调谐的方法
[0038] (1)测试系统搭建
[0039] 将调制器垂直固定在配有光学窗口的低温杜瓦的样品架上，通过导线连接调制器的正负电极导出并与电源表相接，打开太赫兹时域光谱检测系统(TDS系统)，将搭建好的调制器连同杜瓦放入TDS系统中合适位置，使调制器的中心处于光路中光轴附近；
[0040] (2)控制测试环境
[0041] 首先把样品腔抽真空，然后降低并稳定样品腔温度在4.5K；
[0042] (3)太赫兹超导调制器电调谐及测量
[0043] 通过电源表，向调制器分别输入0～2V直流电压，通过太赫兹时域光谱仪分别测得4.5K温度下，不同外加电压的调制器透射传输谱；
[0044] 四、太赫兹超导调制器实验结果及讨论
[0045] 本发明设计的太赫兹超导调制器最主要的应用方面是信号传输调制。从图4可知，调制器透射峰在外在电压为0V时幅值达到0.786，透射峰的中心频率0.532THz，当外加电压逐渐增加并最终达到2V时，透射峰幅值降为0.169，中心频率为0.457THz，幅值调制率达到78.5％，频率调制75GHz。
[0046] 另外，本发明的太赫兹超导调制器，相对文献报道的半导体太赫兹调制器，可以用更小的调控电压得到更大的调制范围，同时氮化铌超导材料工作温度比文献报道的超导铌超材料温度高，更简单经济实用。
[0047] 总之，我们在氧化镁上设计制作的太赫兹超导调制器，主要体现在结构新颖，选用材料优越，调制方法简单方便，调制率高等优点。根据实际需要，通过对结构的优化设计，实现透射峰的初调谐，还可以得到其他频率、幅值调谐性能更好的器件。因此，广泛应用于太赫兹调制器方面。
