一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器

摘要

本发明公开了一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，涉及太赫兹波谐振点调制器领域，包括：谐振结构，谐振结构包括双“T”型谐振结构以及双“E”型谐振结构，其中，双“T”型谐振结构沿介质基板的中心线镜面对称从而介质基板上形成用于谐振的第一控制区域，双“E”型谐振结构沿介质基板的中心线镜面对称从而介质基板形成用于谐振的第二控制区域；调制开关，调制开关用于改变谐振点处太赫兹波的透射系数；其中，介质基板的表面附着有超材料结构层，介质基板、双“T”型谐振结构、双“E”型谐振结构以及调制开关均附着于超材料结构层。本发明可以同时产生两个谐振点，极大提高了太赫兹调制器多工作模式的丰富度，调制效果好。

权利要求

1.一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，包括介质基板（100），其特征在于，包括：谐振结构，所述谐振结构包括双“T”型谐振结构（300）以及双“E”型谐振结构（200），其中，所述双“T”型谐振结构（300）沿介质基板（100）的中心线镜面对称从而所述介质基板上（100）形成用于谐振的第一控制区域，所述双“E”型谐振结构（200）沿介质基板（100）的中心线镜面对称从而所述介质基板（100）形成用于谐振的第二控制区域；

所述双“T”型谐振结构（300）包括两个第一谐振结构，其中，任意一个所述第一谐振结构包括长金属臂以及短金属臂，所述短金属臂垂直连接于所述长金属臂中部从而第一谐振结构形成T型框，两个所述T型框的短金属臂相对设置从而超材料结构层表面形成第一控制区域；

所述双“E”型谐振结构（200）包括两个第二谐振结构，其中，任意一个所述第二谐振结构包括第一金属臂、两条第二金属臂以及第三金属臂，两条所述第二金属臂分别连接于所述第一金属臂的端部，所述第一金属臂中部连接所述第三金属臂，所述第二金属臂与所述第三金属臂相互平行从而第二谐振结构形成有半包围框，两个所述半包围框的开口相对设置从而超材料结构层表面形成第二控制区域；

调制开关，所述调制开关用于改变谐振点处太赫兹波的透射系数；在所述双“E”型谐振结构（200）的第二金属臂与对应一侧的双“T”型谐振结构（300）的长金属臂之间形成有用于放置所述调制开关的间隙，所述间隙的间距为25‑35 µm；其中，所述调制开关包括四个第一开关（510）以及两个第二开关（520），所述第一开关（510）分别设置于所述间隙处，所述第二开关（520）数分别设置于所述双“E”型谐振结构（200）的第一金属臂与第三金属臂连接间隙处，所述第一开关（510）的长度为25‑35 µm，所述第二开关（520）的长度为10‑15 µm；

其中，所述介质基板（100）的表面附着有超材料结构层，所述介质基板（100）、所述双“T”型谐振结构（300）、所述双“E”型谐振结构（200）以及所述调制开关均附着于所述超材料结构层。

2.根据权利要求1所述的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，其特征在于，两个所述第一谐振结构以介质基板（100）的中心点为对称点互为镜面对称，其中，两条所述长金属臂长度为215‑243 µm，两条所述短金属臂的长度为130‑160 µm。

3.根据权利要求1所述的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，其特征在于，第二金属臂间的间距为15‑30 µm，呈相互对称的两条第三金属臂间的间距为35‑45 µm。

4.根据权利要求1所述的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述调制开关处添加有可控有源材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述介质基板（100）为碳化硅衬底，厚度为50 90 µm，相对电介常数为11.9。

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6.根据权利要求1所述的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，其特征

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在于，所述超材料结构层的表面由金属Au构成，厚度为0.1 1 µm，电导率为 4.561×10。

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说明书

一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹波谐振点调制器领域，具体涉及一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器。

背景技术

[0002] 太赫兹调制器作为太赫兹信号强度的主要调制器件之一，在太赫兹通信、军事雷达探测、安检成像等多个领域得到广泛应用，它可以将基带信号(电信号)所包含的信息以太赫兹波作为载体的方式在信道中发射出去。其原理为通过外加电场改变半导体材料中的载流子分布，从而使得超表面结构对太赫兹波的电磁响应发生改变，最终达到调控太赫兹波的目的。

[0003] 太赫兹波(THz)是频率范围为0.1‑10THz的电磁波﹐在电磁频谱的微波和红外区域之间架起了桥梁,在过去20年里引起人们越来越多的关注。以太赫兹波通信时，由于THz波段由于数据传输速率高以实现比当前超宽带(UWB)技术快100到1000倍的10Gbps无线传输速度。而且无线通信是可能给现代电子信息带来巨大突破的重要研究方向技术之一。因此，在这种背景下，对太赫兹波进行有效的超快速调节，使得数据传输在通信和成像中的应用成为了一种具有非常大潜力和价值的研究内容。此外，太赫兹调制器的突破必将为基于直接调制方法的太赫兹通信技术带来重要的发展。现有的太赫兹超表面调制器工作模式单一，电流路径少，一般只能产生一个谐振点，在此基础上只能对一个谐振点进行调制。具有多工作模式的太赫兹调制器在提高太赫兹通信的通信容量和有效利用工作带宽方面具有重要的应用价值。

[0004] 有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是现有的太赫兹超表面调制器工作模式单一，电流路径少，只能产生一个谐振点且太赫兹波调制功能单一，目的在于提供一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，解决上述问题。

[0006] 本发明通过下述技术方案实现：

[0007] 一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，包括介质基板，包括：

[0008] 谐振结构，所述谐振结构包括双“T”型谐振结构以及双“E”型谐振结构，其中，所述双“T”型谐振结构沿介质基板的中心线镜面对称从而所述介质基板上形成用于谐振的第一控制区域，所述双“E”型谐振结构沿介质基板的中心线镜面对称从而所述介质基板形成用于谐振的第二控制区域；

[0009] 调制开关，所述调制开关用于改变谐振点处太赫兹波的透射系数；

[0010] 其中，所述介质基板的表面附着有超材料结构层，所述介质基板、所述双“T”型谐振结构、所述双“E”型谐振结构以及所述调制开关均附着于所述超材料结构层。

[0011] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“T”型谐振结构包括两个第一谐振结构，其中，任意一个所述第一谐振结构包括长金属臂以及短金属臂，所述短金属臂垂直连接于所述长金属臂中部从而第一谐振结构形成T型框，两个所述T型框的短金属臂相对设置从而超材料结构层表面形成第一控制区域。

[0012] 在本申请的一种可选地实施例中，两个所述第一谐振结构以介质基板的中心点为对称点互为镜面对称，其中，两条所述长金属臂长度为215‑243μm，两条所述短金属臂的长度为130‑160μm。

[0013] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“E”型谐振结构包括两个第二谐振结构，其中，任意一个所述第二谐振结构包括第一金属臂、两条第二金属臂以及第三金属臂，两条所述第二金属臂分别连接于所述第一金属臂的端部，所述第一金属臂中部连接所述第三金属臂，所述第二金属臂与所述第三金属臂相互平行从而第二谐振结构形成有半包围框，两个所述半包围框的开口相对设置从而超材料结构层表面形成第二控制区域。

[0014] 在本申请的一种可选地实施例中，第二金属臂间的间距为15‑30μm，呈相互对称的两条第三金属臂间的间距为35‑45μm。

[0015] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“E”型谐振结构的第二金属臂与对应一侧的双“E”型谐振结构的长金属臂之间形成有用于放置所述调制开关的间隙，所述间隙的间距为25‑35μm。

[0016] 在本申请的一种可选地实施例中，所述调制开关包括四个第一开关以及两个第二开关，所述第一开关分别设置于所述间隙处，所述第二开关数分别设置于所述双“E”型谐振结构的第一金属臂与第三金属臂连接间隙处，所述第一开关的长度为25‑35μm，所述第二开关的长度为10‑15μm。

[0017] 在本申请的一种可选地实施例中，所述调制开关处添加有可控有源材料。

[0018] 在本申请的一种可选地实施例中，所述介质基板为碳化硅衬底，厚度为50～90μm，相对电介常数为11.9。

[0019] 在本申请的一种可选地实施例中，所述超材料结构层的表面由金属Au构成，厚度7
为0.1～1μm，电导率为4.561×10。

[0020] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0021] 本发明提供的一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，通过设置双“T”型谐振结构和双“E”型谐振结构，分别产生了不同的电流路径，从而可以产生两个谐振频率，实现补偿谐振现象产生不同频率响应，从而可以同时产生两个谐振点，极大提高了太赫兹调制器多工作模式的丰富度，在此基础上，通过在双“T”型谐振结构和双“E”型谐振结构中添加调制开关，调制开关可以调控不同电磁波频率下的透射系数，调制开关包括有第一开关与第二开关，通过第一开关与第二开关之间的配合，从而实现调制太赫兹波的效果，方便太赫兹波的调制。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

[0023] 图1为本发明实施例提供的调制器整体结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的调制器透射系数与介质基板厚度的关系图；

[0025] 图3为本发明实施例提供的调制器透射系数与第三金属臂长度的关系图；

[0026] 图4a为本发明实施例提供的调制器透射系数与第二金属臂长度的关系图；

[0027] 图4b为本发明实施例提供的调制器透射系数与另一第二金属臂长度的关系图；

[0028] 图5为本发明实施例提供的调制器开关开启状态下的结构示意图；

[0029] 图6为本发明实施例提供的调制器开关关闭状态下的结构示意图；

[0030] 图7为本发明实施例提供的不同开关状态下的透射系数。

[0031] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0032] 100‑介质基板，200‑双“E”型谐振结构，300‑双“T”型谐振结构，510‑第一开关，520‑第二开关。

具体实施方式

[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0034] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0036] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，接或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0037] 实施例

[0038] 电控太赫兹调制器可以通过外加电场改变半导体材料中的载流子分布，从而使得超表面结构对太赫兹波的电磁响应发生改变，最终达到调控太赫兹波的目的，为了节省资源，提高调制系统的利用率，需要在不改变调制器结构的条件下实现对太赫兹波的动态调控。通常的方式是使用可调谐材料，通过电控等方式改变可调谐材料的物理特性进而改变调制器的工作状态。经研究发现，超材料制成的超表面是一种人工排列的具有亚波长结构的复合材料，其电磁特性可以通过改变其几何参数来任意设计，十分适合用于作为可调谐材料，然而在实际使用中，现有的太赫兹超表面调制器工作模式单一，电流路径少，只能产生一个谐振点，方法较为单一，存在利用率低等缺点。为解决上述问题，本发明提供了一种基于T型和E型超表面谐振结构的太赫兹调制器，如图1所示，包括介质基板100，还包括：

[0039] 谐振结构，所述谐振结构包括双“T”型谐振结构300以及双“E”型谐振结构200，其中，所述双“T”型谐振结构300沿介质基板100的中心线镜面对称从而所述介质基板100上形成用于谐振的第一控制区域，所述双“E”型谐振结构200沿介质基板100的中心线镜面对称从而所述介质基板100形成用于谐振的第二控制区域；

[0040] 调制开关，所述调制开关用于改变谐振点处太赫兹波的透射系数；

[0041] 其中，所述介质基板100的表面附着有超材料结构层，所述介质基板100、所述双“T”型谐振结构300、所述双“E”型谐振结构200以及所述调制开关均附着于所述超材料结构层。

[0042] 本实施例中，在超表面结构上通过设置双“T”型谐振结构300和双“E”型谐振结构200，分别产生了不同的电流路径，从而可以产生两个谐振频率，实现补偿谐振现象产生不同频率响应，从而可以同时产生两个谐振点，极大提高了太赫兹调制器多工作模式的丰富度，具体地，在不同频率的太赫兹波垂直入射至在所述第一控制区域内时，对于双“T”形谐振结构，当入射太赫兹波的电场方向是沿着X轴的时候，谐振是典型的表面等离子局域化偶极子谐振(dipole localized plasmons,DLSPs)，当入射太赫兹波的电场方向是沿着Y轴的时候，此结构无明显谐振现象。然而对于双“E”形结构刚好相反，在不同频率的太赫兹波垂直入射至在所述第二控制区域内时，当入射太赫兹波的电场方向是沿着Y轴的时候，此结构无明显谐振现象。当入射太赫兹波的偏振电场是沿着Y轴的时候，这种谐振属于电感‑电容(inductive‑capacitive，LC)谐振。器件在不同太赫兹波频率产生不同的响应；从而在所述第一控制区域与第二控制区域内分别形成有两个谐振，从而生成两个谐振频率点，其在
220GHz和340GHz的两个频率点的透射系数很小，皆小于0.1。

[0043] 此外，应当知道的是，本发明中超材料结构的制备以及附着于介质基板100所用到的方法等，均为本领域技术人员所熟知的常规技术手段，这里不再赘述。

[0044] 在本申请的一种可选地实施例中，所述介质基板100为碳化硅衬底，厚度为50～90μm，相对电介常数为11.9。

[0045] 具体到本实施例中，该器件的单元结构如图1所示，器件的衬底是70μm厚的碳化硅，其介电常数ε＝11.9。本发明的实施例选择碳化硅SiC作为衬底，原因在于碳化硅相较其他材料而言，更利于提高器件透过率和降低插入损耗。如图2所示，在衬底厚度在某处时，等效电感和等效电容最大。当衬底厚度从固定点往两段变化时，等效电感和等效电容相互作用逐渐变小，谐振频率变大。同时，在h逐渐变小的过程中，Fabry‑Perot效应减弱，干涉峰逐渐变少，在20μm时干涉峰几乎不存在。但是，由于20μm时由于介质厚度过薄，改变了器件原有的谐振结构，造成了第二个谐振点过多的偏移，所以，在本实施例中，作为优选的，碳化硅的厚度为为70μm。

[0046] 在本申请的一种可选地实施例中，所述超材料结构层的表面由惰性金属构成，厚度为0.1～1μm，电导率为4.561×107。作为优选的，厚度为0.2μm；

[0047] 其中，惰性金属可以为Au以及Au等，作为优选的，本实施例所选用的惰性金属为Au，其原因在于Au与Ag相比，Au电阻更低、电导率更高，因此更适合应用于等离子和光学超材料器件中。

[0048] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“T”型谐振结构300包括两个第一谐振结构，其中，任意一个所述第一谐振结构包括长金属臂以及短金属臂，所述短金属臂垂直连接于所述长金属臂中部从而第一谐振结构形成T型框，两个所述T型框的短金属臂相对设置从而超材料结构层表面形成第一控制区域。

[0049] 在本申请的一种可选地实施例中，两个所述第一谐振结构以介质基板100的中心点为对称点互为镜面对称，其中，两条所述长金属臂长度为215‑243μm，两条所述短金属臂的长度为130‑160μm。

[0050] 其中，作为优选的是，两条所述长金属臂长度为230μm，两条所述短金属臂的长度为143μm，从而有利于形成稳定谐振。

[0051] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“E”型谐振结构200包括两个第二谐振结构，其中，任意一个所述第二谐振结构包括第一金属臂、两条第二金属臂以及第三金属臂，两条所述第二金属臂分别连接于所述第一金属臂的端部，所述第一金属臂中部连接所述第三金属臂，所述第二金属臂与所述第三金属臂相互平行从而第二谐振结构形成有半包围框，两个所述半包围框的开口相对设置从而超材料结构层表面形成第二控制区域。

[0052] 在本申请的一种可选地实施例中，第二金属臂间的间距为15‑30μm，呈相互对称的两条第三金属臂间的间距为35‑45μm。

[0053] 其中，作为优选的是，两个谐振结构中呈相互对称的第二金属臂的间距为25μm，呈相互对称的第三金属臂的间距为40μm。如图5所示，双“E”型谐振结构200中，其中一个第二谐振结构的第二金属臂分别与另一个第二谐振结构的第二金属臂成镜面对称，相对应的第二金属臂的间距为m1与m2，所述间距指对称分别的第二金属臂的端部之间的距离，此外，相对应的第三金属臂的间距为m2，在此基础上，结合图3‑图5，其中透射系数S21曲线75～82对应m2从25～60μm变化。当m2从开始的25μm逐渐增加到60μm时，谐振点频率从0.280THz提高到0.357THz，同时透射系数21S在谐振频率点也逐渐降低，且会让偶极振荡产生的谐振频率点发生轻微的移动。这是因为长度增加后，电流减小，等效电感变小，谐振点频率因此提高。虽然m2＝35μm时(即曲线80)的谐振点最接近0.340THz，但同时考虑到调制深度的问题，所以选取m2＝40μm。从图4和图5明显看出，m1从25μm逐渐减小到15μm的过程中，谐振点频率逐渐变小。m1减小代表左右两边金属条间距变大即开口变大，则平行板电容增大，所以谐振点频率变小。m3与m1类似。所以最后选取m1＝m3＝25μm，此时LC谐振点最接近0.340THz。由实验得出，本调至器使用时，最优结构参数如下，a＝260μm，b＝250μm，l1＝230μm，l2＝183μm，l3＝143μm，m1＝25μm，m2＝40μm，m3＝25μm，d＝30μm，结构的线宽6μm，从而能保证形成两个控制区域内形成的振谐稳定。

[0054] 在本申请的一种可选地实施例中，所述双“E”型谐振结构200的第二金属臂与对应一侧的双“E”型谐振结构200的长金属臂之间形成有用于放置所述调制开关的间隙，所述间隙的间距为25‑35μm。

[0055] 作为优选的是，本实施例中间距为30μm；通过设置间距，方便配合安装调制开关。

[0056] 在本申请的一种可选地实施例中，所述调制开关包括四个第一开关510以及两个第二开关520，所述第一开关510分别设置于所述间隙处，所述第二开关520数分别设置于所述双“E”型谐振结构200的第一金属臂与第三金属臂连接间隙处，所述第一开关510的长度为25‑35μm，所述第二开关520的长度为10‑15μm。

[0057] 作为优选的是，本实施例中所述第一开关510的长度为30μm，所述第二开关520的长度为12μm。如图6所示，其中第一开关510为4个为长度为30μm的金属条；第二开关520处设有12μm的开口，将此结构的6个开关状态改变，再次将不同频率的太赫兹波垂直入射至器件表面；而此时器件对与太赫兹波的透射系数不会有特别的区别，在200～400GHz频段内都在0.8左右。

[0058] 在本申请的一种可选地实施例中，所述调制开关处添加有可控有源材料。具体到本实施例中，所述可控有源材料如AlGaN、GaN以及GaN等，具体材料不做进一步限定，通过控制材料中载流子的数量，来控制开关的状态，调控此器件在220GHz和340GHz处的透射系数，从而达到调制太赫兹波的目的，本实施例中，其中220GHz处调制深度为95％，340GHz处调制深度为92％。

[0059] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。