一种多频响应太赫兹波调制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多频响应太赫兹波调制器，包括太赫兹波可以透射的半导体衬底、两种以上尺寸规格的超材料谐振单元和金属钛薄膜层，所述超材料谐振单元设置在半导体衬底上，金属钛薄膜层设置在超材料谐振单元和半导体衬底上；同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元以一种周期阵列方式布置在衬底上，不同尺寸规格的超材料谐振单元交错布置，且不同超材料谐振单元之间彼此存在间隙。本发明提供的多频响应太赫兹波调制器，在一块衬底上集成了两个或多个频率的太赫兹波调制器，可以根据需要对两种或多种不同频率的太赫兹波进行调制，这样就有利于降低使用成本，因此具有更好的实用性和便利性。
【专利说明】一种多频响应太赫兹波调制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多频响应太赫兹波调制器，尤其涉及一种能够对两种或三种以上频率的太赫兹波进行幅度调制的太赫兹波调制器，属于太赫兹通信、探测和成像相关技术。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz到IOTHz之间的电磁波，波长大概在0.03?3mm范围，介于微波与红外光之间，是宏观经典理论向微观量子理论适用范围的过渡区，也是电子学向光子学的过渡领域。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有光子能量小、穿透力强等特性，在通信、军事、医学、安全检查等领域具有重大的潜在应用价值。
[0003]太赫兹波调制器是构筑太赫兹通信系统的核心元器件之一。近年来所报道的太赫兹波调制器中有很多利用超材料与半导体材料结合进行调制太赫兹波的方法。2006年，W.J.Padilla等人首次报道了一种光控超材料太赫兹波器件[I]，该器件是将金属开口谐振环结构制备在GaAs衬底上,通过光激励可以在GaAs半导体衬底上激发光生载流子,再调控光泵功率即可调节谐振环开口处的载流子浓度，以实现对开口电容的调节，从而调控太赫兹波的传输。南京邮电大学的陈鹤鸣等人提出基于非线性光子晶体可以实现对双波长太赫兹波的调制[2] [3]，但是这种太赫兹波调制器的制备工艺流程复杂，实际难以实现。
H.T.Chen利用微加工技术将金属微带结构刻在半导体衬底上，通过改变电容来实现对太赫兹波的调控[4]，其所用衬底是硅-蓝宝石晶片，硅的电导率大于100Ω.cm，利用光抽运THz探测技术对硅表面进行光激励，可以通过以外部光控制光生载流子的方法在20%的幅度内调控太赫兹波的中心频率，但这种方法的调制深度不高，而且也不能实现同时对几种不同波长(频率)的太赫兹波进行调制。
[0004]参见图1，有研究人员提出一种基于半导体衬底和超材料结构的太赫兹调制器，但是由于该器件的半导体衬底上的超材料结构只有一种尺寸，不能灵活方便地对多种频率的太赫兹波进行调制，并且其制备的成本也较高，限制了该种太赫兹调制器更广泛的使用。
[0005]参考文献
[0006][l]ff.J.Padilla, A.J.Taylor, C.Highstrete et al.Dynamical electricand magnetic metamaterial response at terahertz frequencies[J].Phys.Rev.Lett.,2006, 96(10):107401
[0007][2]H.T Chen, J.F.0j Hara, A.K.Azad et al.Experimental demonstration offrequency-agile terahertz metamaterials[J].Nature.Photonics, 2008, 2(5):295 ?298
[0008][3]H.T Chen, ff.J.Padillal, M.J.Cich et al.A metamaterial solid-stateterahertz phase modulator[J].Nature Photonics, 2009，3 (3):148 ?151
[0009][4]陈鹤鸣，徐妍.光控双波长太赫兹波调制器及调制方法:中国专利，201010568906.5
【发明内容】
[0010]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种制备成本较低的多频响应太赫兹波调制器，可以同时调制两种或两种以上频率的太赫兹波。
[0011]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0012]一种多频响应太赫兹波调制器，包括太赫兹波可以投射的半导体衬底、两种以上尺寸规格的超材料谐振单元和金属钛薄膜层，所述超材料谐振单元设置在半导体衬底上，金属钛薄膜层设置在超材料谐振单元和半导体衬底上；同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元以一种周期阵列方式布置在半导体衬底上，不同尺寸规格的超材料谐振单元交错布置，且不同超材料谐振单元之间彼此存在间隙。
[0013]本案最终的谐振单元阵列由两个或多个不同尺寸的谐振单元阵列交叉组成(根据理论分析，交错排列是为了均匀对太赫兹波进行调制，并且模拟的结果也显示交错布置才能够达到对多个频率太赫兹波的调制)，使得制备的太赫兹波调制器能对多个不同频率的太赫兹波产生谐振效应，最终在外部激光源的照射下，达到对多个频率的太赫兹波进行幅度调制的目的；即本案相当于在一个半导体衬底上集成了两种或三种以上频率的太赫兹波调制器，可以根据需要对两种或三种以上频率的太赫兹波进行调制，相对于分别使用多个衬底制成的多个太赫兹波调制器来说，本案有利于降低使用成本，具有更好的实用性和便利性；另外，也避免了需要调制不同频率的太赫兹波时，需要重复制备带来的成本提高。
[0014]优选的，所述半导体衬底为砷化镓衬底。砷化镓衬底相对于其他半导体材料,如碳化硅和磷化铟等来说价格还是较低的，生产技术较为成熟的。
[0015]优选的，所述超材料谐振单元的制备材料为金。目前超材料谐振单元的制备材料有铜和金等，但金相对于其他材料具有更加优良的传导性。
[0016]优选的，所述金属钛薄膜层的厚度为200?2000nm。厚度太薄不能完全覆盖衬底，达不到连接半导体衬底和超材料谐振单元的效果。厚度过于厚又会浪费材料。
[0017]优选的，所述同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元以矩形周期阵列方式布置在衬底上，不同尺寸规格的所有超材料谐振单元形成的矩形周期阵列的行、列间距相等。
[0018]有益效果:本发明提供的多频响应太赫兹波调制器，在一块衬底上集成了两个或多个频率的太赫兹波调制器，可以根据需要对两种或多种不同频率的太赫兹波进行调制，由于金的价格较高，这样就有利于降低使用成本，因此具有更好的实用性和便利性；另外，本发明提供的多频响应太赫兹波调制器结构简单，制备工艺流程较短，有利于降低制备成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为现有技术制备的对单个频率太赫兹波进行调制的太赫兹波调制器表面的超材料谐振单元阵列示意图；
[0020]图2为本发明的多频响应太赫兹波调制器的表面的超材料谐振单元阵列结构示意图；
[0021]图3为本发明的超材料谐振单元组示意图；
[0022]图4为针对图1中的、具有单一尺寸的超材料谐振单元采用中时域有限差分(FDTD)方法模拟得到的对太赫兹波的透射特性曲线；[0023]图5为针对图2中的、具有两种不同尺寸的超材料谐振单元采用时域有限差分(FDTD)方法模拟得到的对太赫兹波的透射特性曲线。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025]如图2所示为一种多频响应太赫兹波调制器，包括太赫兹波可以投射的半导体衬底1、两种尺寸规格的超材料谐振单元2和金属钛薄膜层3，所述超材料谐振单元2设置在半导体衬底I上，金属钛薄膜层3设置在超材料谐振单元2和半导体衬底I上；同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元2以一种周期阵列方式布置在半导体衬底I上，两种不同尺寸规格的超材料谐振单元2交错布置，且不同超材料谐振单元2之间彼此存在间隙。
[0026]本案中的所有超材料谐振单元2可以分为矩形阵列排布的若干超材料谐振单元组，每个超材料谐振单元组的构成如图3所示，两种尺寸规格的超材料谐振单元2以十字交叉方式排列，但是所有超材料谐振单元2的金薄膜厚度相同。
[0027]所述半导体衬底I为砷化镓衬底，所述超材料谐振单元2的制备材料为金，所述金属钛薄膜层3的厚度为200?2000nm。
[0028]太赫兹波调制器工作时，太赫兹波依次通过超材料谐振单元2和半导体衬底I，并从半导体衬底I下表面射出，由太赫兹时域光谱仪(TDS)接收并检测。当以外部激光照射半导体衬底I时，产生的光生载流子会将所有超材料谐振单元2的开口处导通，超材料谐振单元2阵列不会对太赫兹波产生谐振效应，因此太赫兹波的透过率较高；而无外部光源照射时，特定尺寸规格的超材料谐振单元2阵列将会对特定频率的太赫兹波产生强烈的谐振效应，此时太赫兹波的透过率很低。当两种特定频率的太赫兹波分别入射到相对应的两种不同尺寸规格的超材料谐振单元2阵列上时，即可分别产生强烈的谐振效应，此即意味着同一太赫兹波调制器可以对两种不同频率的太赫兹波的透射强度进行调制。通过TDS检测到的太赫兹波的透射光谱反映的就是经过调制的、强度变化速率与调制光相同的太赫兹波透射强度。图1和图2所示的结构分别是采用时域有限差分(FDTD)方法设计的，将单个和两个特定尺寸的金属超材料谐振环单元按照一定的顺序和周期排列在半导体衬底上得到的太赫兹调制器示意图。图4为针对图1中的、具有单一尺寸的超材料谐振单元采用中文时域有限差分(FDTD)方法模拟得到的对太赫兹波的透射特性曲线。而图5则为针对图2中的、具有两种不同尺寸的超材料谐振单元采用时域有限差分(FDTD)方法模拟得到的对太赫兹波的透射特性曲线。模拟结果表明将两种特定尺寸规格的超材料谐振单元2按一定的顺序和周期共同排列在同一半导体衬底上，其对两种频率的太赫兹波的调制深度，与具有单一尺寸的超材料谐振单元阵列的太赫兹波调制器相比只是略有下降，并且对两种频率的太赫兹波具有非常接近的调制深度，如图5所示。
[0029]优选的，本发明提供的多频响应太赫兹波调制器的制备方法如下:
[0030]选取200?600m厚的砷化镓衬底，在砷化镓衬底上利用光刻、金属蒸镀、刻蚀等工艺技术，首先制备一层厚度在10?50nm的金属钛薄膜作为粘合层，然后在金属钛薄膜上制备以金薄膜材料为构成材料的超材料谐振单元周期阵列，金薄膜材料的厚度为200?2000nm,而各超材料谐振单元的几何形状可为任意与太赫兹频率对应的电磁共振器单元的形状。[0031]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种多频响应太赫兹波调制器，其特征在于:包括太赫兹波可以投射的半导体衬底(1)、两种以上尺寸规格的超材料谐振单元(2)和金属钛薄膜层(3)，所述超材料谐振单元(2)设置在半导体衬底(I)上，金属钛薄膜层(3)设置在超材料谐振单元(2)和半导体衬底(I)上；同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元(2)以一种周期阵列方式布置在半导体衬底(I)上，不同尺寸规格的超材料谐振单元(2)交错布置，且不同超材料谐振单元(2)之间彼此存在间隙。
2.根据权利要求1所述的多频响应太赫兹波调制器，其特征在于:所述半导体衬底(I)为砷化镓衬底。
3.根据权利要求1所述的多频响应太赫兹波调制器，其特征在于:所述超材料谐振单元(2)的制备材料为金。
4.根据权利要求1所述的多频响应太赫兹波调制器，其特征在于:所述金属钛薄膜层(3)的厚度为200?2000nm。
5.根据权利要求1所述的多频响应太赫兹波调制器，其特征在于:所述同一种尺寸规格的所有超材料谐振单元(2)以矩形周期阵列方式布置在衬底(I)上，不同尺寸规格的所有超材料谐振单元(2)形成的矩形周期阵列的行、列间距相等。
【文档编号】G02F1/01GK103984124SQ201410205385
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】张 雄, 冯丽丽, 廖民亮, 崔一平 申请人:东南大学