基于铁电薄膜的太赫兹调制器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太赫兹（THz)波的应用技术领域；更具体地讲，涉及一种基于铁电薄 膜的太赫兹调制器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（THz)波是频率在0.1 THz~IOTHz范围的电磁波，波长在30μπι到3mm范 围，介于微波与红外之间。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有光子能量低、穿透力强 等优异特性，因此在物理、化学和医药科学等基础研究领域以及安全检查、环境监测、通信 等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的市场前景。随着太赫兹技术的迅速 发展，太赫兹间隙的空白逐渐被填补，结合光子学和电子学应用于太赫兹技术使这一领域 的发展获得了重大突破，如量子级联激光器，肖特基二极管和辐射热测量计（Bolometer)。 在发展相应太赫兹光源和高灵敏度探测器的同时，高速太赫兹调制器是不可缺少的核心器 件，进一步开发和提升太赫兹调制器的性能是十分必要的。
[0003] 现有的太赫兹调制器主要是机械式调制方式的斩波器，其调制频率从几 Hz至几 kHz。近年来，人们又发展出了基于光子晶体材料的带隙迁移型太赫兹调制器，其调制深度 可接近100%，调制速度约为10kHz，然而，由于光子晶体带隙边缘很难达到陡峭，因此插入 损耗等指标都不是很理想。另外，基于超材料（Metamaterials)人工结构的太赫兹调制器 也是目前的研究热点，然而由于受器件的RC常数的限制，此类器件的调制速度仍较低，只 有几百Hz~几 MHz，很难满足太赫兹在通讯和成像领域应用的要求。因此，如何提升调制速 度成为进一步发展太赫兹调制器技术的关键。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于铁电薄膜的 太赫兹调制器，其中，所述太赫兹调制器包括：介质基板，其对太赫兹波具有较高的透过率； 多个铁电薄膜单元，阵列排布在所述介质基板上；太赫兹滤波结构，设置在所述介质基板和 所述多个铁电薄膜单元上，并且所述太赫兹滤波结构对太赫兹波具有带通滤波效应。
[0005] 本发明的另一目的还在于提供一种基于铁电薄膜的太赫兹调制器的制造方法，其 中，所述制作方法包括步骤：A、在介质基板上形成媒介薄膜并用湿法刻蚀出用于制备多个 铁电薄膜单元的阵列排布的多个窗口；B、在具有所述多个窗口的所述介质基板和所述媒介 薄膜上沉积铁电薄膜；C、去除掉所述媒介薄膜以及不需要的铁电薄膜，进而在所述窗口中 形成所述铁电薄膜单元；D、在所述介质基板和所述铁电薄膜单元上沉积用于形成太赫兹滤 波结构的金属薄膜；E、采用剥离法去除掉不需要的金属薄膜，进而形成太赫兹滤波结构。
[0006] 进一步地，所述太赫兹滤波结构包括：调制电压电极，制备在所述介质基板上并用 于接收不同的调制电压；多个滤波框，阵列排布在所述介质基板上，其中，每个滤波框的第 一框边设置在与其对应的所述铁电薄膜单元上，并且所述多个滤波框对太赫兹波进行带通 滤波；接地端，制备在所述介质基板上并用于电性接地；多条接地导线，平行设置在所述介 质基板上，其中，每条接地导线耦接到所述接地端以及至少一行滤波框的与第一框边相对 的第二框边；多条电极导线，平行设置在所述介质基板上，其中，每条电极导线位于两行滤 波框的第一框边之间，并且每条电极导线耦接所述调制电压电极以及所述两行滤波框的第 一框边。
[0007] 进一步地，所述滤波框呈矩形。
[0008] 进一步地，所述滤波框的长度为10~30 μ m，所述滤波框的宽度为10~30 μ m，且 所述滤波框的每一条框边的宽度为2~4 μ m。
[0009] 进一步地，每行滤波框中的两个相邻滤波框的中心之间的距离为40~100 μ m。
[0010] 进一步地，所述电极导线与其相邻的所述接地导线之间的距离为20~50μπι。
[0011] 进一步地,两条相邻的所述接地导线之间的距离为20~50 μ m。
[0012] 进一步地，所述电极导线的线宽为2~4μπι。
[0013] 进一步地，所述接地导线的线宽为2~4μπι。
[0014] 本发明充分结合了铁电薄膜的介电常数可高速调制和高Q因子的太赫兹滤波结 构的优点，在太赫兹滤波结构工作频率下对太赫兹波的幅值进行高速电调制，具有调制速 度高和调制深度大等特点，可以弥补现有高速太赫兹调制器性能的不足，且该太赫兹调制 器装置操作简单，成本较低，易于集成，在太赫兹通讯和成像等应用方面具有较大的科学研 究价值和市场前景。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的实施例1的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的结构示意图。
[0016] 图2是本发明的实施例1的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的制造方法流程图。
[0017] 图3是本发明的实施例1的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试示意图。
[0018] 图4是本发明的实施例1的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试结果曲线图。 [0019] 图5是本发明的实施例2的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的结构示意图。
[0020] 图6是本发明的实施例2的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试示意图。
[0021] 图7是本发明的实施例2的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试结果曲线图。
[0022] 图8是本发明的实施例3的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的结构示意图。
[0023] 图9是本发明的实施例3的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试示意图。
[0024] 图10是本发明的实施例3的基于铁电薄膜的太赫兹调制器的测试结果曲线图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明将铁电薄膜材料引入到太赫兹调制器中，由于铁电薄膜材料的横光学 声子软模在太赫兹频段，物理机制上决定了铁电薄膜材料在太赫兹波段有较强的介电 响应。铁电薄膜材料的太赫兹介电响应主要来自于晶格振动，其复介电常数可以由 pseudo-harmonic声子模型
【主权项】
1. 一种基于铁电薄膜的太赫兹调制器，其特征在于，所述太赫兹调制器包括： 介质基板，其对太赫兹波具有较1?的透过率； 多个铁电薄膜单元，阵列排布在所述介质基板上； 太赫兹滤波结构，设置在所述介质基板和所述多个铁电薄膜单元上，并且所述太赫兹 滤波结构对太赫兹波具有带通滤波效应。
2. 根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述太赫兹滤波结构包括： 调制电压电极，制备在所述介质基板上并用于接收不同的调制电压； 多个滤波框，阵列排布在所述介质基板上，其中，每个滤波框的第一框边设置在与其对 应的所述铁电薄膜单元上，并且所述多个滤波框对太赫兹波进行带通滤波； 接地端，制备在所述介质基板上并用于电性接地； 多条接地导线，平行设置在所述介质基板上，其中，每条接地导线耦接到所述接地端以 及至少一行滤波框的与第一框边相对的第二框边； 多条电极导线，平行设置在所述介质基板上，其中，每条电极导线位于两行滤波框的第 一框边之间，并且每条电极导线耦接所述调制电压电极以及所述两行滤波框的第一框边。
3. 根据权利要求2所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述滤波框呈矩形。
4. 根据权利要求2或3所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述滤波框的长度和宽度均 为10~30 μ m，且所述滤波框的每一条框边的宽度为2~4 μ m。
5. 根据权利要求4所述的太赫兹调制器，其特征在于，每行滤波框中的两个相邻滤波 框的中心之间的距离为40~100 μ m。
6. 根据权利要求2所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述电极导线与其相邻的所述 接地导线之间的距离为20~50 μ m。
7. 根据权利要求2所述的太赫兹调制器，其特征在于，两条相邻的所述接地导线之间 的距离为20~50 μ m。
8. 根据权利要求2或6所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述电极导线的线宽为2~ 4 μ m〇
9. 根据权利要求2或6或7所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述接地导线的线宽为 2 ~4 μ m〇
10. -种权利要求1至9任一项所述的太赫兹调制器的制造方法，其特征在于，所述制 作方法包括步骤： A、 在介质基板上形成媒介薄膜并用湿法刻蚀出用于制备多个铁电薄膜单元的阵列排 布的多个窗口； B、 在具有所述多个窗口的所述介质基板和所述媒介薄膜上沉积铁电薄膜； C、 去除掉所述媒介薄膜以及不需要的铁电薄膜，进而在所述窗口中形成所述铁电薄膜 单元； D、 在所述介质基板和所述铁电薄膜单元上沉积用于形成太赫兹滤波结构的金属薄 膜； E、 采用剥离法去除掉不需要的金属薄膜，进而形成太赫兹滤波结构。
【专利摘要】本发明公开一种基于铁电薄膜的太赫兹调制器及其制作方法。所述太赫兹调制器包括：介质基板，其对太赫兹波具有较高的透过率；多个铁电薄膜单元，阵列排布在所述介质基板上；太赫兹滤波结构，设置在所述介质基板和所述多个铁电薄膜单元上，并且所述太赫兹滤波结构对太赫兹波具有带通滤波效应。本发明充分结合了铁电薄膜的介电常数可高速调制和高Q因子的太赫兹滤波结构的优点，在太赫兹滤波结构工作频率下对太赫兹波的幅值进行高速电调制，具有调制速度高和调制深度大等特点，可以弥补现有高速太赫兹调制器性能的不足，且该太赫兹调制器装置操作简单，成本较低，易于集成，在太赫兹通讯和成像等应用方面具有较大的科学研究价值和市场前景。
【IPC分类】G02F1-01
【公开号】CN104635358
【申请号】CN201310547214
【发明人】张晓渝, 张力力, 李欣幸, 吕利, 秦华
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月6日