一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器

摘要

本发明提供了一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，属于电磁功能器件技术领域。本发明是通过将太赫兹波段鳍线‑波导传输系统与人工电磁谐振结构单元、高电子迁移率晶体管HEMT相结合而实现的。本发明通过电控HEMT的电磁特性实现对人工电磁谐振单元结构中电磁谐振模式的控制，从而实现对鳍线‑波导中传播的太赫兹波幅度、相位进行调制。本发明可实现95％以上的调制深度，同时对太赫兹波的插损可小于‑1.5dB以内。本发明可通过运用微细加工技术实现，制备工艺成熟可靠。本发明实现了半导体材料与人工微结构阵列、太赫兹传输线相结合的调制器件，在太赫兹无线通信、太赫兹波谱技术、太赫兹安检成像等领域具有重要的实际应用价值。

权利要求

1.一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，其特征在于，包括输入波导(1)、波导-鳍线过渡部分(2)、鳍线调制部分(3)、鳍线-波导过渡部分(4)、输出波导(5)和外部滤波馈电结构(6)；

所述鳍线调制部分(3)包括鳍线中间传输区和调制单元阵列；所述鳍线中间传输区包括接地鳍(7)和绝缘鳍(8)；所述调制单元阵列中的每个调制单元包括人工电磁媒质与HEMT；所述人工电磁媒质包括栅极连接线(10)和金属开口谐振环(9)；所述HEMT包括源极(11)、漏极(12)和调制掺杂异质结(13)；所述源极(11)和漏极(12)分别与金属开口谐振环(9)的开口处金属条相连接；所述栅极连接线(10)置于金属开口谐振环(9)开口处的中心位置并与所述绝缘鳍(8)相连接；所述金属开口谐振环(9)通过短金属条与接地鳍(7)相连接；

所述外部滤波馈电结构(6)连接所述绝缘鳍(8)；通过控制外部滤波馈电结构(6)的调制电压控制HEMT的通断。

2.根据权利要求1所述的鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，其特征在于，所述调制单元阵列包括N个调制单元，N≥2。

3.根据权利要求1所述的鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，其特征在于，鳍线的基板可为石英、碳化硅、蓝宝石或砷化镓。

说明书

一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器

技术领域

[0001] 本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、太赫兹移相器等，具体涉及一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器。

背景技术

[0002] 近年来，太赫兹的独特性能为通信、雷达、电子对抗和医学成像等众多领域提供了诱人的发展可能性。其中在太赫兹通信与成像系统中，太赫兹波动态功能器件—太赫兹外部调制器如今已成为其关键的核心技术。从2004年开始，Nature/Science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波外部调制器的文章，其内容包括基于掺杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工电磁媒质相结合，利用外加温度、光照、电场等的激励方式来实现太赫兹波的调制。在上述方法中，调制器多采用空间金属阵列形式，金属单元间耦合寄生效应大，降低了调制器的响应速率，且调制器不便集成。因此设计一种响应速度高、调制深度大、结构紧凑便于集成的器件仍然是太赫兹调制器件亟待解决的核心技术问题。

[0003] 在半导体材料与电磁器件产业中，一方面，电磁器件的发展需求决定了半导体材料的发展，另外一方面，由于半导体新材料的出现，推动了新的电磁器件的出现。在第三代半导体材料发展中，高电子迁移率晶体管HEMT展现出了卓越的性能，并已成功运用至探测器、放大器等领域，HEMT的出现也为太赫兹外部调制器的设计指引了新方向。HEMT是一种利用存在于调制参杂异质结中的二维电子气来进行工作的新型场效应晶体管。1978年R.Dingle首次在分子束外延生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了高电子迁移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT，并成功应用于微波低噪声放大。第三代宽禁带半导体材料GaN不仅具有宽的帯隙，而且还具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及热稳定性好等特点。因此在制备高速功能器件中，基于GaN材料的HEMT具有很大的优势。

[0004] 自然界中很多材料在太赫兹频段没有电磁响应，人工电磁媒质的出现为太赫兹的发展和应用带来了新的机遇。人工电磁媒质是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其性质可以通过有效介电常数和磁导率来表征，而人工电磁媒质的有效介电常数与磁导率则可以可通过人为地设计，从而控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。随着近代微细加工技术的发展，人工电磁媒质在推动无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

[0005] 鳍线是一种较为特殊的传输线，它能与很多半导体器件相契合，为实现混合电路提供有利条件。在毫米波内对应的行波波长大于微带线的导行波，因此基片的公差没有微带线结构那么严格，而且矩形波导壁的公差也略微放宽。由于鳍线基片地面没有金属接地板，能量不会像微带线集中在介质中，从而减少了介质损耗。鳍线阻抗范围大，在电路的设计中可以实现良好的匹配效果，降低不必要的反射，鳍线带宽较宽，可以工作在较高的工作频率，因此在很多电路结构中都会采用鳍线。

[0006] 本发明将鳍线传输线与人工电磁谐振结构、HEMT相结合通过电控HEMT的电磁特性实现对人工电磁谐振单元结构中电磁谐振模式的控制，从而实现对鳍线-波导中传播的太赫兹波幅度、相位进行调制。本发明结构简单，易集成，可用于太赫兹无线通信、波谱成像等应用系统中。

发明内容

[0007] 本发明的目的：提供一种通过外加电压信号实现对波导内太赫兹波快速动态幅度调制的调制器，响应速度快，调制深度高，便于加工，易于集成。

[0008] 本发明所提出的技术问题是这样解决的：

[0009] 一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，包括输入波导1、波导-鳍线过渡部分2、鳍线调制部分3、鳍线-波导过渡部分4、输出波导5和外部滤波馈电结构6；

[0010] 所述鳍线调制部分3包括鳍线中间传输区和调制单元阵列；所述鳍线中间传输区包括接地鳍7和绝缘鳍8；所述调制单元阵列中的每个调制单元包括人工电磁媒质与HEMT；所述人工电磁媒质包括栅极连接线10和金属开口谐振环9；所述HEMT包括源极11、漏极12和调制掺杂异质结13；所述源极11和漏极12分别与金属开口谐振环9的开口处金属条相连接；
所述栅极连接线10置于金属开口谐振环9开口处的中心位置并与所述绝缘鳍8相连接；所述金属开口谐振环9通过短金属条与接地鳍7相连接；所述外部滤波馈电结构6连接所述绝缘鳍8；通过控制外部滤波馈电结构6的调制电压控制HEMT的通断；

[0011] 所述调制单元阵列包括N个调制单元，N≥2；

[0012] 鳍线基板可为石英，也可为碳化硅、蓝宝石或砷化镓等材料。

[0013] 本发明的有益效果是：

[0014] (1)本发明中鳍线结合人工电磁媒质嵌套HEMT的复合阵列可有效降低太赫兹波的传输损耗，实现太赫兹波在高速调制的同时插损低；

[0015] (2)本发明中鳍线传输线易于与标准波导过渡，便于与相关器件的连接以及太赫兹系统的构建；

[0016] (3)本发明所设计的谐振结构与传统的的开口环谐振调制器不同，是在金属开口谐振环的开口处进行HEMT晶体管的嵌套，并将嵌套的谐振结构单元结构加载至鳍线结构之上，由此可高效的对人工电磁媒质结构单元中的谐振模式进行切换，可实现器件谐振频率的动态控制和谐振强度的动态控制，从而高效的对鳍线上传输的太赫兹波进行调制，可实现高调制深度的调制，这对太赫兹波段调制技术的发展具有重要价值；

[0017] (4)本发明中调制单元结构在鳍线传输线上可只放置少数几个甚至是2个就可实现对太赫兹波的调制，结构的寄生电容极小，因此其电路时间常数(RC常数)极小，根据单个HEMT器件的响应速率估算该调制速率可达到40GHz以上，可大幅提高对太赫兹波的调制速率；

[0018] (5)本发明器件中人工电磁媒质单元结构与HEMT嵌套可实现偶极振荡和等效LC电路谐振模式的耦合和转换，能增强太赫兹波电磁谐振强度，从而可以大幅提升该调制器件的调制效率，采用两个调制单元结构可实现大于95％的调制深度；

[0019] (6)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，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；

[0020] (7)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，并且馈电方式可直接采用同轴SMA接口进行馈电。这对于该器件小型化、实用化与产量化具有很大的优势；

[0021] (8)本发明通过改变人工电磁媒质的结构参数(长、宽、开口位置等)，可对不同大小的太赫兹波束进行控制，设计灵活、方便定制；

[0022] (9)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、集成。

附图说明

[0023] 图1为调制器整体结构三维示意图；

[0024] 图2为调制器的整体结构俯瞰平面示意图；

[0025] 图3为调制器谐振单元结构俯瞰平面示意图；

[0026] 图4为HEMT结构示意图；

[0027] 图5为外加正方向电压(连通)状态下的电场分布图；

[0028] 图6为外加负方向电压(断开)状态下的电场分布图；

[0029] 图7为调制器在不同状态下的S21参数对比。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明。

[0031] 本具体实施方式提供一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，其结构示意图如图1和图2所示，包括输入波导1、波导-鳍线过渡部分2、鳍线调制部分3、鳍线-波导过渡部分4、输出波导5和外部滤波馈电结构6；

[0032] 所述输入波导1由标准直波导构成，用于馈入太赫兹电磁波；

[0033] 所述波导-鳍线过渡部分2由一部分单节印刷阶梯变换器组成，用于实现波导到鳍线的转换，将输入波导1内的太赫兹电磁波耦合到鳍线；

[0034] 所述鳍线调制部分3包括鳍线中间传输区和调制单元阵列；所述鳍线中间传输区包括接地鳍7和绝缘鳍8；所述调制单元阵列中的每个调制单元包括人工电磁媒质与HEMT，调制单元的结构示意图如图3所示；所述人工电磁媒质包括栅极连接线10和金属开口谐振环9；所述HEMT包括源极11、漏极12和调制掺杂异质结13，HEMT的结构示意图如图4所示；所述源极11和漏极12分别与金属开口谐振环9的开口处金属条相连接；所述栅极连接线10置于金属开口谐振环9开口处的中心位置并与所述绝缘鳍8相连接；所述金属开口谐振环9通过短金属条与接地鳍7相连接；所述外部滤波馈电结构6连接所述绝缘鳍8；

[0035] 所述鳍线-波导过渡部分4与波导-鳍线过渡部分2保持对称，同样采用一部分单节印刷阶梯变换器构成，实现鳍线到波导的过渡转换，将鳍线上的电磁波传输到标准波导口；

[0036] 所述输出波导5由标准直波导构成，用于输出被调制后的电磁波；

[0037] 所述外部滤波馈电结构6，在器件外壁做开孔结构，绝缘鳍7与低通滤波器相接后与SMA接头连接，器件与器件外壁相连共同接地，绝缘鳍7采用绝缘膜与波导腔体壁隔开。

[0038] 所述调制单元阵列包括N个调制单元，N≥2，本实施例取N＝2；

[0039] 鳍线的基板材料选用石英；

[0040] 该调制器是通过电控HEMT的通断对太赫兹波实现动态幅度调制。从图5可以看到，当外加控制电压使得HEMT连通时，金属开口谐振环9的开口处处于连接状态，在此情况下可以看到金属开口谐振环9由于开口处的导通无法在特定工作频率进行谐振，整体来看，输入太赫兹波由于在两个调制单元处发生反射，但是在两个调制单元处的反射发生抵消，因此太赫兹波可以顺利的从传输端口传输到输出端口。如图6所示，当外加电压控制HEMT断开，金属开口谐振环9的开口处断开，调制单元结构内部形成LC振荡。这时鳍线中传输的电磁波能量主要集中在金属开口谐振环9处，无法继续沿着传输线继续传播。因此通过外加控制电压控制HEMT的通断可以实现对调制单元的控制，进而实现对太赫兹波进行快速地调制。如图7所示，在外加电压控制HEMT通断状态下的传播系数，有超过25dB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。本示意图为工作频率0.23THz的调控。

[0041] 在人工电磁媒质结构中采用金属开口谐振环结构可以更加便利的调整结构参数(长宽开口位置等)，使得谐振频率更加容易调整。此外金属开口谐振环具有的电磁效应也比单纯的金属电极形成的谐振更加强烈，从而获得更好的幅度调制效果和调制深度。

[0042] 结果表明，外加电压控制HEMT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，由此导致太赫兹波的通过率改变，以此实现对太赫兹波的幅度进行调制。因此本发明提供的鳍线加载人工电磁媒质HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器是一种电控高效，高速器件，这将为将来太赫兹功能器件的设计以及与源器件的集成提供了很好的思路与方向。