专利名称：基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁波调制方法，尤其涉及一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法。
背景技术：
表面等离子体波是由外部电磁波诱导金属或半导体表面电荷的集体振荡，具有表面电磁场的传播性能。由于其能量局限于两种材料的界面处，表面等离子体波在显示、存储、传感、检测等诸多方向有着潜在的应用。在以往的研究中，大多 关注表面等离子体波在金属表面的行为，对于其在半导体表面的传输行为研究较少。选用半导体材料的一大突出优点是其自由载流子可以通过掺杂或是温度调节加以改变，从而改变半导体的介电常数，进而影响表面等离子体波在半导体表面的传输性质，这为制作基于表面等离子体波的电磁波调制器奠定基础。国际上诸多课题组已进行了相关研究，J. Gomez Rivas课题组提出了基于光栅的温度控制开关，该温度开关的主要结构为一个半导体光栅，通过改变半导体光栅的温度，从而调节半导体内的自由载流子浓度，进而改变半导体的介电常数，影响光栅的反射波长，最终控制流过光栅的表面等离子体波的透射量(J. Gomez Rivas et al,Low-frequency active suriace plasmon optics on semiconductors, APPLIED PHYSICbLETTERS 88， 082106， 2006)。然而J. G0mez Rivas课题组开发的基于表面等离子体波的温度控制开关需要使用光柵，因此该温度控制开关在性能上尚不完美。首先，光栅本身会散射表面等离子体波的能量，从而使得信号能量受到损失。其次，由于光栅的反射是针对特定的频率，所以该表面等离子体波温度控制开关只能对较窄波段的特定频率实现开关控制，不能对宽频段的表面等离子体波进行调控。换句话说，如果表面等离子体波里面存在相隔较远的诸多波长信号，现有的装置就无法同时对几个波长的信号进行开关调制。另外，最近杨涛课题组提出基于半导体等离子体频率调制表面等离子体波的方法。当电磁波的频率小于半导体等离子体频率时，表面等离子体波能在半导体上传输；当电磁波的频率大于半导体等离子体频率时，表面等离子体波则不能在半导体上传输。该方法利用温度来控制半导体的自由载流子浓度，从而改变半导体等离子体频率。虽然与J.Gomez Rivas的技术相比调制频带相对较宽,但是该方法需要较大的温度变化幅度实现半导体等离子体频率与电磁波频率大小的相对变化。由于温度变化幅度有限，半导体等离子体频率的变化幅度也有限，所以表面等离子体波的调制频带范围有限，影响该技术的普遍应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，该方法能量消耗小，调谐频带宽，硬件成本较低，调制过程操作简单、灵活，可实现归零调制(开关调制)和非归零调制功能。
本发明具体采用以下技术方案
基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，在半导体平板表面上方设置两个相互平行的金属刀片第一刀片和第二刀片，两个金属刀片的刃ロ均垂直指向半导体平板表面，且两个金属刀片刃ロ与半导体平板表面的距离相等；从第一刀片的外侧向该刀片的刃ロ与半导体平板的间隙处发射频率小于半导体等离子体频率的电磁波，在半导体平板表面激发表面等离子体波，该表面等离子体波由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第ニ刀片的刃口下方传输；在恒定温度下，通过调整两个金属刀片间的距离，使得从第二刀片刃ロ处耦合出的电磁波的强度发生变化，从而实现电磁波的调制。采用上述技术方案可以实现宽频电磁波的归零调制，也可以实现宽频电磁波的非归零调制；归零调制和非归零调制的技术方案分别如下
归零调制所述电磁波为宽频电磁波，所述调整两个金属刀片间的距离，是指使两个金属刀片间的距离在第一距离和第二距离之间转换，所述第一距离小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离，第二距离大于宽频电磁波所激发的最低频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。非归零调制所述电磁波为宽频电磁波，调整两个金属刀片间的距离时，使两个金属刀片间的距离始终小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。本发明技术方案中，第一刀片和第二刀片的距离可以通过两个刀片同时相互移动调整，也可以固定其中ー个，而只移动另外ー个。本发明优选固定第一刀片的位置，通过移动第二刀片的位置来调整两个金属刀片间的距离。优选地，所述两个金属刀片刃ロ与半导体平板表面的距离小于最低频率的表面等离子体波在空气中的衰减距离，所述半导体平板的厚度大于最高频率的表面等离子体波在该半导体平板内的衰减距离，所述半导体平板在常温下的等离子体频率与入射电磁波的频率接近。相比现有技术，本发明本发明具有以下优点
1、调制成本低相对于J.G0mez Rivas课题组提出了温度控制开关，本发明方法不需要在半导体晶片表面制作光柵，整个调制过程中的成本较低；
2、信号损耗小相对于J.G0mez Rivas课题组提出的温度控制开关，本发明方法没有光栅等结构散射能量，因此表面等离子体波的能量损耗较小，信噪比得到提高；
3、调制范围宽本发明方法可以对较宽的电磁波波段进行开关调制，提高器件的性能和应用范围。4、硬件结构简単本发明通过改变刀片位置实现信号开关或调制，其硬件结构更加简单，调制更加便捷。
图I为本发明的电磁波调制装置的结构示意图，图中标号含义如下
I为电磁波，2为半导体平板，31、32为两个平行的金属刀片，4为表面等离子体波。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的思路是首先在半导体平板表面设置ー对平行刀片第一和第二刀片，并通过向第一刀片刃ロ发射电磁波，在半导体平板表面激发由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输的表面等离子体波，由于表面等离子体波的強度随传输距离増大而衰减，因此可通过调整两个刀片的距离，使得第二刀片刃ロ处耦合出的电磁波強度根据需要变化，从而实现电磁波调制。本发明所使用的调制装置如图I所示，包括半导体平板2，平行设置于半导体平板2上方的两个刀片31、32。向其中一个刀片31的刃ロ与半导体平板2的间隙处发射频率小于该半导体等离子体频率的电磁波1，在两个刀片的刃ロ之间的半导体平板2表面激发出向刀片32刃口下方传播的表面等离子体波4，并在刀片32刃ロ处耦合为电磁波1，可以通过设置在刀片32刃口外侧的探測器检测。通过调整两个刀片的位置，使得两个刀片3的刃ロ与半导体平板2表面的距离小于最高频率的表面等离子体波在空气中的衰减距离。同时所选取的半导体平板2的厚度大于最低频率的表面等离子体波在该半导体平板2内的衰减距离。此时，保持入射电磁波不变，调整刀片31和32之间的距离，当距离较小时，刀片32 刃ロ处的表面等离子体波信号強度较强，耦合出的电磁波的強度也较大；当刀片31和32之间的距离逐渐增大时，刀片32刃ロ处的表面等离子体波4信号強度随距离増大而衰减，耦合出的电磁波的強度也随之变小；随着刀片31和32之间的距离超过表面等离子体波4在半导体平板2表面的传输距离，表面等离子体波4的強度在半导体平板2表面随着传输距离的增加而逐渐耗尽，最終刀片32的刃ロ处无法耦合出电磁波信号。这样，通过调整刀片31和32之间的距离，即可实现电磁波调制。为了便于公众理解本发明的技术方案，下面分别以归零调制和非归零调制为例来进ー步说明。归零调制
如图I所示，将锑化铟本征半导体(其在常温下的等离子体频率在I. 9-2. OTHz范围内)晶片2水平放置，在锑化铟半导体晶片2上方平行放置两个金属刀片31、32，两个刀片垂直于锑化铟半导体晶片2的上表面而且刃ロ向下。在温度为30°C时，将宽频电磁波I (如频率范围在O. 2-0. 4THz)射向刀片31的刃ロ，使得在锑化铟半导体晶片2表面激发表面等离子体波4，该表面等离子体波4沿着锑化铟半导体晶片2表面传输并向刀片32的刃ロ处传播。调节两个刀片的位置使得两个刀片的刃ロ与锑化铟半导体晶片2上表面之间的距离小于O. 4THz的表面等离子体波4在空气中的衰减距离；同时，所选取的锑化铟半导体晶片2的厚度大于O. 2THz的表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片2内的衰减距离。某一频率的表面等离子体波的传输距离以及在外部气体和锑化铟半导体晶片中的衰减距离可根据表面等离子体的色散方程求得，表面等离子体的色散方程是
权利要求
1.基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，其特征在于，在半导体平板表面上方设置两个相互平行的金属刀片第一刀片和第二刀片，两个金属刀片的刃ロ均垂直指向半导体平板表面，且两个金属刀片刃ロ与半导体平板表面的距离相等；从第一刀片的外侧向该刀片的刃ロ与半导体平板的间隙处发射频率小于半导体等离子体频率的电磁波，在半导体平板表面激发表面等离子体波，该表面等离子体波由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输；在恒定温度下，通过调整两个金属刀片间的距离，使得从第二刀片刃ロ处耦合出的电磁波的強度发生变化，从而实现电磁波的调制。
2.如权利要求I所述基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，其特征在干，所述电磁波为宽频电磁波，所述调整两个金属刀片间的距离，是指使两个金属刀片间的距离在第一距离和第二距离之间转换，所述第一距离小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离，第二距离大于宽频电磁波所激发的最低频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。
3.如权利要求I所述基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，其特征在干，所述电磁波为宽频电磁波，调整两个金属刀片间的距离时，使两个金属刀片间的距离始終小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。
4.如权利要求I所述基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，其特征在干，固定第一刀片的位置，通过移动第二刀片的位置来调整两个金属刀片间的距离。
5.如权利要求I所述基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，其特征在干，所述两个金属刀片刃ロ与半导体平板表面的距离小于最低频率的表面等离子体波在空气中的衰减距离，所述半导体平板的厚度大于最高频率的表面等离子体波在该半导体平板内的衰减距离，所述半导体平板在常温下的等离子体频率与入射电磁波的频率接近。
全文摘要
本发明公开了一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法。在半导体平板表面上方设置两个相互平行的金属刀片第一刀片和第二刀片，两个金属刀片的刃口均垂直指向半导体平板表面，且两个金属刀片刃口与半导体板表面的距离相等；从第一刀片的外侧向该刀片的刃口与半导体平板的间隙处发射频率小于半导体等离子体频率的电磁波，在半导体平板表面激发表面等离子体波，该表面等离子体波由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输；在恒定温度下，通过调整两个金属刀片间的距离，使得从第二刀片刃口处耦合出的电磁波的强度发生变化。本发明方法能量消耗小，调谐频带宽，硬件成本低，操作简单、灵活，可实现归零和非归零调制功能。
文档编号H03C7/00GK102739165SQ201210216220
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者何浩培, 凌安平, 周馨慧, 李兴鳌, 杨涛, 黄维 申请人:南京邮电大学