电调谐二氧化钒相变中红外调制器及中红外无线通讯系统

摘要

本发明属于光电子技术领域，公开了一种电调谐二氧化钒相变中红外调制器及中红外无线通讯系统，为多层膜结构，以二氧化钒作为电控相变材料；多层膜结构中最下层为铜层，最上层为金插指电极和接受天线，二氧化钒层在中红外调制器的中部，二氧化钒层与铜层之间为二氧化硅层。本发明在2.4伏特激励电压下，实现了对25.5THz中红外光反射率的调制，调制深度为30％；同时实现了对共振频率的调制，调制范围为3.5％。本发明的中红外调制器为层状结构，基于工艺成熟的氧化钒材料，制作简单、成本低，在较低的工作电压下即实现了对中红外光的调制，对于推进其实用化具有重要意义。

权利要求

1.一种电调谐二氧化钒相变中红外调制器，其特征在于，所述电调谐二氧化钒相变中红外调制器为多层膜结构，以二氧化钒作为电控相变材料；

所述多层膜结构中最下层为铜层，最上层为金插指电极和接受天线，二氧化钒层在中红外调制器的中部，二氧化钒层与铜层之间为二氧化硅层；

所述铜层厚度为300nm；所述二氧化硅层厚度为100nm；所述二氧化钒层厚度为250nm；

所述金叉指电极厚度为150nm；

所述金叉指电极的金属条阵列的金属条宽度2.5μm、金属条长度3.8mm、相邻金属条间距4.5μm、整体阵列大小4.0mm×4.0mm。

2.一种使用权利要求1所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的中红外调制器等离子天线，其特征在于，所述中红外调制器等离子天线为金叉指电极的金属条阵列。

3.一种使用权利要求1所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的中红外无线通讯系统。

4.一种使用权利要求1所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的高灵敏分子检测系统。

说明书

电调谐二氧化钒相变中红外调制器及中红外无线通讯系统

技术领域

[0001] 本发明属于光电子技术领域，尤其涉及一种电调谐二氧化钒相变中红外调制器及中红外无线通讯系统。

背景技术

[0002] 中红外(波长3-30微米)是电磁波谱当中重要的频谱资源，波长3-30微米波段具有分子强特征吸收、热体辐射以及大气透明窗口等独有的特征，使得中红外技术在无线宽带通讯、高灵敏物质检测、大气污染监控、分子光谱研究、无损伤医学诊断、目标探测、卫星遥感等领域具有广阔应用前景。调制器是中红外技术系统中的一项关键器件，尤其在中红外无线通讯、高灵敏分子检测等领域具有重要的应用价值。

[0003] 由于缺乏合适的光电材料，高效紧凑的中红外调制器研制一直是中红技术领域的瓶颈难题。现有技术的一种实现方案是基于Ge声光材料的声光调制器，其装置体积庞大，调制速率受限于MHz量级，无法满足实际应用要求。此外，目前见报道的还有基于石墨烯的中红外调制器。尽管目前已报道的石墨烯调制器具有高达95％的调制深度和20GHz的调制速率，但其工作电压高达20V以上，同时由于石墨烯材料属于近十年来才出现的新材料，其制备工艺昂贵、重复性差，器件性能的稳定性和高成本也限制了石墨烯调制器的应用发展。

[0004] 综上所述，现有技术存在的问题是：由于在中红外波段缺乏成熟的光电材料，目前中红外调制器普遍存在工作电压高、体积大、制备技术复杂、成本高、稳定性差的问题，制约了中红外调制技术的实际应用。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明创造性将二氧化钒相变材料作为中红外调制材料，发明了一种基于氧化钒相变材料的中红外调制器。氧化钒是一种工艺简单、成本低、具有60多年历史的成熟材料，其常规的应用是红外探测器。本发明创新性将氧化钒用于中红外波的调制，实现了一种低成本、体积小、效率高的中红外调制器。

[0006] 本发明是这样实现的，一种电调谐二氧化钒相变中红外调制器，所述电调谐二氧化钒相变中红外调制器为多层膜结构，以二氧化钒作为电控相变材料；

[0007] 所述多层膜结构中最下层为铜层，最上层为金插指电极，二氧化钒层在中红外调制器的中部，二氧化钒层与铜层之间为二氧化硅层。最上层的金插指电极作为电极的同时，还起到作为天线接收中红外光的作用，巧妙地将电压加载方式和天线收集红外光的功能结合在同一结构。

[0008] 进一步，所述铜层厚度为300nm；所述二氧化硅层厚度为100nm；所述二氧化钒层厚度为250nm；所述金叉指电极厚度为150nm。

[0009] 进一步，所述金叉指电极的金属条阵列的金属条宽度2.5μm、金属条长度3.8mm、相邻金属条间距4.5μm、整体阵列大小4.0mm×4.0mm。

[0010] 本发明的另一目的在于提供一种使用所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的中红外调制器等离子天线，所述中红外调制器等离子天线为金叉指电极的金属条阵列。

[0011] 本发明的另一目的在于提供一种使用所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的中红外无线通讯系统。

[0012] 本发明的另一目的在于提供一种使用所述电调谐二氧化钒相变的中红外调制器的高灵敏分子检测系统。

[0013] 本发明通过器件结构设计和参数优化，实现了在中红外波段调频范围为3.5％、调制深度为30％、工作电压低于3V的调制效果。相对现有技术，本发明工作电压低10倍以上，同时由于采用的是工艺成熟的氧化钒薄膜材料，还具有制备技术简单、成本低、体积小和性能稳定的优点，可推动中红外调制器的实用化发展。

附图说明

[0014] 图1是本发明实施例提供的电调谐二氧化钒相变中红外调制器结构示意图；

[0015] 图中：1、铜层；2、二氧化硅层；3、二氧化钒层；4、金叉指电极。

[0016] 图2是本发明实施例提供的金插指型天线实施方式的结构示意图。

[0017] 图3是本发明实施例提供的中红外调制器在电压上升过程的振幅调制特性图。

[0018] 图4是本发明实施例提供的中红外调制器在电压下降过程的振幅调制特性图。

具体实施方式

[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0020] 在集成有光学天线的这类调制器中，基于等离子体共振原理，光学天线能对中红外波的振幅、相位或者偏振进行控制；为了实现控制的可调制性，将具有相变特性的二氧化钒作为功能材料引入调制器中，实现了调制特性。二氧化钒是一种具有相变特性的过渡金属氧化物，在68℃附近会发生可逆的绝缘—金属转变，其电阻率发生约4个数量级的变化，诱导其相变的方式主要有热、电、光。

[0021] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

[0022] 如图1所示，本发明实施例提供的电调谐二氧化钒相变中红外调制器包括：铜层1、二氧化硅层2、二氧化钒层3、金叉指电极4。

[0023] 中红外调制器的多层结构从下至上依次为铜层1、二氧化硅层2、二氧化钒层3、金叉指电极4。

[0024] 中红外调制器各层结构的厚度从下至上依次为铜150nm、二氧化硅100nm、二氧化钒250nm、金叉指电极150nm。

[0025] 中红外调制器最上层叉指型金属条阵列的具体结构如图4所示：金属条宽度2.5μm、金属条长度3.8mm、相邻金属条间距4.5μm、整体阵列大小4.0mm×4.0mm。

[0026] 本发明实施例提供的中红外调制器为多层膜结构，以二氧化钒为电控相变材料。

[0027] 本发明实施例的金插指型天线实施方式如图2所示。

[0028] 下面街恶化测试对本发明的应用效果作详细的描述。

[0029] 将本发明实施例中的中红外调制器进行性能测试，图3和图4分别为升电压和降电压过程中该中红外调制器的振幅调制特性，反射模式下的调制特性由傅里叶变换红外摄谱仪测得。本发明的电调谐二氧化钒相变中红外调制器是基于光学天线的等离子体共振原理。未加电压时二氧化钒处于绝缘态，此时天线的共振最强，调制器在25.5THz处呈现高吸收特性；当在金插指电极上施加电压时，随着电压的升高，二氧化钒向金属态转变，其介电函数和电导率均发生变化，导致天线的共振减弱，从而使调制器的吸收减小。当电压升高到2.4伏特时，二氧化钒完全转变为金属态，此时天线的共振最小，使调制器在25.5THz处呈现高反射特性。当电压下降时，二氧化钒由金属态向绝缘态转变，此时天线的共振会渐渐加强；电压降到0伏特时，天线的共振恢复到最强，此时调制器在25.5THz处呈现初始的高吸收特性。整个测试过程中涵盖频率20-30THz的黑体光源经过镀金镜面的反射信号为背景信号，而经过调制器样品的反射信号为实际信号，实际信号除以背景信号即得到反射率特性。
可以看到在二氧化钒通过电压控制从绝缘态到金属态相变前后，实现了对25.5THz中红外光反射率的调制，调制深度为30％；同时实现了对共振频率的调制，调制范围为3.5％。同时，该中红外调制器为层状结构，制作简单、成本低，在较低的工作电压下即实现了对中红外光的调制，对于推进其实用化具有重要意义。

[0030] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。