一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器

摘要

该发明公开了一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件。通过直波导腔体导入太赫兹波，然后通过探针结构将太赫兹波耦合到本器件的核心部分晶体管结合共面波导(CPW)的结构上，该结构是由三根金属线结合半导体衬底构成的悬置共面波导与共面波导相邻金属传输带之间加入的悬晶体管嵌套人工微结构阵列结构组成。通过控制晶体管阵列的通断改变太赫兹波在CPW中的传输特性，从而实现对太赫兹波的快速幅度调制，最终再通过探针‑波导结构将调制后的THz传输出去。具有体积小、加工简单、调制速率快的优点。

权利要求

1.一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，包括：输入直波导、共面波导、输出直波导；所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传播段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入直波导中，输出段设置于输出直波导中；其特征在于共面波导的中央馈线外接一电压输入线，谐振馈线与中央馈线之间设置至少1个晶体管，通过外接电压控制晶体管的通断。

2.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，其特征在于所述谐振馈线与中央馈线之间设置6个晶体管，其中3个位于中央馈线的同一侧，其余3个位于中央馈线的另一侧。

3.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，其特征在于所述晶体管为二极管或三极管或高电子迁移率晶体管。

4.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，其特征在于所述共面波导基板为半导体材料。

5.如权利要求4所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，其特征在于进一步的，所述共面波导基板为AsGa或AlGaN或SiC。

说明书

一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器

技术领域

[0001] 该发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件，用于太赫兹波调制器、太赫兹波开关、太赫兹移向器等。

背景技术

[0002] 太赫兹波是指频率在0.1-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡区域，是电磁波谱中唯一尚处于开发的频段资源。它介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光区域之间，具有独特的电磁特性；太赫兹波在物理、电子信息、化学、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通讯雷达等领域具有极重要的应用，是下一代信息产业的科学技术重要基础之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。

[0003] 太赫兹无线通信作为太赫兹领域最重要的应用方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹通信系统与微波通信、光纤通信、光无线通信相比，具有独特优势。例如相比于微波通信，THz应用于此可提供更大的带宽、更高的传输速度，此外，天线的尺寸将会显著减小，适合于卫星间通信；THz可提供多路数据传输，其作用范围大于视距红外传输；相对于无线光通信，无线光通信的损耗来源于云、雨、尘埃等的散射和吸收，频率越高，散射越强，而相比于光波，THz的粒子散射要小得多，因此THz通信可用作光通信链路的备用系统，在浓烟，沙尘环境下依然保持近距离宽带通信。太赫兹无线通信技术一直受到西方大国的高度重视，例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等。

[0004] 而作为太赫兹通信系统中最为关键的核心技术之一，太赫兹波动态功能器件—太赫兹外部调制器如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。目前国际上均采用准光的方式对太赫兹外部调制器进行研究，但这种方式插损大、单元结构多、调制速率难以提高，因此目前为止，都未能实现对在空间中传播的太赫兹波的快速调制。

[0005] 在现代信息和通信技术中，平面集成微波电路起到了巨大的作用。尤其在最近的25年里，随着像场效应管和异质场效应管等现代微波晶体管的发展，单片微波集成电路得以迅速发展。共面波导作为微波电路中的重要微带结构被看作槽线结构的变形,在槽结构中间加入信号线。槽内走的电磁波模式为准TEM模式,支持奇或偶的准TEM模,奇偶形式取决于两槽之间的电场是同向或反向。由于共面波导信号线与地处在同一平面上,无需在介质板上打孔,对于设计、加工器件和电路很方便,广泛应用于成电路(MICs)、单片毫米波集成电路(MMIC)、基于共面波导的滤波器、移相器、天线以及基于共面波导的MEMS将共面波导结合晶体管阵列用于太赫兹调制器首先可实现对太赫兹波的高通段以达到对太赫兹波的高效调制、其次该器件的插损小可减少太赫兹波功率损耗、器件中包含阵列单元数少，能有效控制电路时间常数以实现高速调控太赫兹波。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加电压信号实现对太赫兹波快速动态调控的调制器，可有效的对太赫兹波进行高效、快速幅度调制。

[0007] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：通过直波导腔体导入太赫兹波，然后通过探针结构将太赫兹波耦合到本器件的核心部分晶体管结合共面波导(CPW)的结构上，该结构是由三根金属线结合半导体衬底构成的悬置共面波导与共面波导相邻金属传输带之间加入的悬晶体管嵌套人工微结构阵列结构组成。通过控制晶体管阵列的通断改变太赫兹波在CPW中的传输特性，从而实现对太赫兹波的快速幅度调制，最终再通过探针-波导结构将调制后的THz传输出去。因为本发明一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，包括：输入直波导、共面波导、输出直波导；所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传播段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入直波导中，输出段设置于输出直波导中；其特征在于共面波导的中央馈线外接一电压输入线，谐振馈线与中央馈线之间设置至少1个晶体管，通过外接电压控制晶体管的通断。

[0008] 进一步的，所述谐振馈线与中央馈线之间设置6个晶体管，其中3个位于中央馈线的同一侧，其余3个位于中央馈线的另一侧。

[0009] 进一步的，所述晶体管为二极管或三极管或高电子迁移率晶体管。

[0010] 进一步的，所述共面波导基板为半导体材料。

[0011] 进一步的，所述共面波导基板为AsGa或AlGaN或SiC。

[0012] 本发明的有益效果是，(1)、将晶体管置于共面波导中，并与谐振金属单元结构相结合调制特点频率太赫兹波，可有效控制太赫兹波的损耗，实现太赫兹波在高速调制的同时插损低。(2)晶体管结合谐振单元的结构在共面波导中可只放置少数几个甚至是1个就可实现对太赫兹波的调制，因此其电路时间常数(RC常数)极小，调制速率可达到10GHz以上，调制速率大幅提升。(3)通过晶体管改变谐振单元特性从而改变共面波导对特定频率太赫兹波的传输特性，这可以大幅提升该调制器件的调制效率(调制深度)，可实现大于95％的调制深度。(4)、对于太赫兹波段的功能器件，立体结构的设计方案通过普通机械加工手段难以实现，而本发明中利用的是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作。(5)、本发明通过电控来进行工作而不需要外加光照、温度等激励，这对于该器件小型化、实用化与产量化具有很大的优势。(6)、通过改变调制单元的结构参数(长宽等)，可对不同大小的太赫兹波束进行控制，设计灵活、方便定制。(7)、本发明所设计的谐振结构与普通的开口环谐振器不同，电容片之间晶体管的通断即可实现太赫兹波传输参数的改变，最终实现宽频调制，这对太赫兹波段宽频带调制技术的发展具有很大帮助。(8)、本发明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、方便使用。

附图说明

[0013] 图1为CPW调制器的整体结构俯瞰平面示意图。

[0014] 图2为CPW调制器谐振单元结构俯瞰平面示意图。

[0015] 图3为外加正方向电压(连通)状态下的电场分布图。

[0016] 图4为外加负方向电压(断开)状态下的电场分布图。

[0017] 图5为CPW调制器在不同状态下的S21参数对比。

具体实施方式

[0018] 本发明提出了一种将晶体管与传输线结构相结合所形成的一种波导-共面波导-波导结构来实现对空间中传播的太赫兹波进行动态调制的设计方案，并通过仿真计算与实验验证说明了这是一种结构简单、易于加工，且具有较高调制深度太赫兹快速调制器件。

[0019] 本发明包括:输入直波导(1)、波导输入探针结构(2)、外加电压输入(3)、悬置共面波导结合晶体管嵌套人工微结构阵列(4)、波导输出探针结构(5)、输出直波导(6)。

[0020] 所述悬置共面波导结合晶体管嵌套人工微结构阵列结构可包括至少1个调制单元，所述调制单元由单个晶体管结合谐振单元结构组成，所述谐振单元结构包括中央馈线和位于中央馈线两侧的谐振馈线，以及两根纵向金属短线条所组成，其中纵向金属短线条与晶体管的电极相连接；晶体管(9)可为二极管、三极管、高电子迁移率晶体管。

[0021] 所述正电压加载极通过中央金属线与外接调制电压相连接，通过改变外接电压来实现晶体管的通断控制。

[0022] 上述技术方案中，所述衬底基片可以是AsGa或AlGaN或SiC；金属电极一般采用Ti、Al、Ni、Au也可采用其它特性相近的金属代替。

[0023] 该调制器是通过晶体管的通断对空间传播的太赫兹波实现动态幅度调制。具体为：当外加电控使晶体管断开，连接悬置共面波导两侧金属条与中间金属条的中间晶体管谐振单元结构开口处也处于断路状态，该情况下谐振单元内部上下对称的金属线条结构相互独立工作，形成偶极谐振模式。这时传播的太赫兹波电磁能量主要集中在谐振结构的开口处，无法再进行沿着金属线条的传输。从图3中可以看到。当外加电控使得晶体管连通的时候，谐振单元结构中开口处位于连接状态，此时悬置共面波导两侧金属条与中间金属条也因二极管的连通而相互导通，在此情况下谐振单元由于开口的导通无法针对在指定工作频率附近进行谐振，因此太赫兹波可以良好的通过悬置共面波导金属线以互相耦合的方式快速传输，如图4所示。因此通过外加电压信号可快速控制晶体管结构的通断以此实现对该谐振结构中电场强度快速调制，从而实现电控的方式对太赫兹波进行快速的调制。如图5所示，在电控晶体管通时传播系数以及断开时的传播系数，有超过40dB的幅度调控，表明该调制器可以高效的对太赫兹波进行调制，并且通过设计结构可以改变工作频率，本示意图为工作频率0.34THz的调控。

[0024] 上述太赫兹波快速调制器经三维电磁模拟软件仿真证明了其可行性，图3、图4为电磁仿真在控制晶体管通、断情况下太赫兹波的透射率谱图和谐振模式结果图。结果表明，外加电压控制晶体管通断，使得太赫兹波在该器件中传输过程中的电场分布发生改变，从而使得太赫兹波通过该器件后的场强发生大幅改变由此导致太赫兹波的通过率从通过变为了截断或由截断变成了通过，以此对太赫兹波的幅度进行调制。

[0025] 图5中为仿真晶体管断开时状态，此时从图3和图4上分析可以看到连接悬置共面波导两侧金属条与中间金属条的中间晶体管谐振单元结构开口处也处于断路状态，此时从图4上分析可以看到形成了上下部分各自独立的类似偶极振荡的模式，场主要集中在谐振单元的中心位置，由传输系数图可以看到太赫兹波无法通过该器件。当控制晶体管导通的状态，，此时从图3和图4可以看到，场可以从结构中以互相耦合的方式快速传输，此时太赫兹波也处于导通状态。该结果证明该调制器可以对太赫兹波进行高效的调制，加之晶体管具有极快的通断速率，因此该器件可对太赫兹波进行快速调制。因此所述一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器是一种工作于THz频段的电控高效、高速调制器件。这为将来THz功能器件的设计与制作提供了很好的思路与方向。