一种光控太赫兹空间外部相位调制器的制作方法

本发明属于电磁功能器件技术领域，同时也属于包括调制器、滤波器、光导开关等在内的通信器件领域。

背景技术：

太赫兹波是一种介于光子学与电子学之间的新型电磁波谱，通常指频率位于0.1thz～10thz之内的电磁辐射。近年来，得益于太赫兹源与检测技术的飞速发展，基于太赫兹波的成像、频谱分析、电子信息、雷达定位等技术领域表现出了极大的应用前景。同时，太赫兹无线通信技术作为太赫兹领域的重要方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹波作为无线通信载波，具有超高的带宽、良好的穿透能力(相比于红外与光通信)与优越的定向性。超高的带宽使得太赫兹波在未来超宽带通信、大容量无线数据传输、保密通信等民用与国防领域备受瞩目。由于太赫兹波波长位于0.03mm～3mm之间，因而具有良好的穿透能力，在浓烟、沙尘环境下可保持近距离宽带通信。太赫兹波的发散角相对较小，具有优越的定向性，因而在卫星点对点通信、短程大气通信与地面点对点通信中具有较小的功率损耗从而实现超大容量的空间点对点通信。

作为具有重要应用前景的太赫兹应用系统，如太赫兹无线通信系统、太赫兹波谱成像系统等，太赫兹调制器件无疑是其关键核心器件之一，因此太赫兹调制器件也成为了太赫兹科学技术领域公认的研究重点和技术难点。从2004年开始，在nature/science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波外部调制器的文章，其内容包括基于参杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工微结构相结合，利用外加温度、光照、电场等的激励方式来实现太赫兹波的调制，也部分解决了太赫兹波幅度调制的难题。但是太赫兹波的调制除了幅度调制以外，还需实现相位调制，然而相关高性能器件研究鲜有报道，如何实现相位的大幅、高速调制成为了该研究领域的一项瓶颈技术。而该项技术的突破、该器件的成功研制将极大的减少基于直接调制方式的太赫兹无线通信系统的频谱干扰，从而提高频谱纯度，减少通信接收端的数据处理难度，同时也将大幅提高太赫兹相控成像系统的扫描范围、扫描精度等参量，这将更加有利于太赫兹高性能系统的实现和产业化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加光照信号实现对空间太赫兹波快速动态相位调控的调制器，可有效的对所设计频率点的太赫兹波进行快速相位调制且相位调制深度在较大带宽内达到100度以上。

本发明解决所述问题采用的技术方案为：

一种光控太赫兹空间外部相位调制器，包括半导体衬底1和人工微结构谐振阵列2；所述人工微结构谐振阵列2位于半导体衬底1的上表面；所述人工微结构谐振阵列2由周期性分布的动态电磁谐振单元组成，每一个电磁谐振单元包括人工微结构3和可控动态开关4；所述人工微结构3由一个“工”形结构和一个开口圆环结构重叠构成；所述“工”形结构的两根横向枝节长度相同，纵向枝节连接两根横向枝节的中心；所述圆环结构有左右两个大小相同的开口，且开口中心与圆环圆心位于同一水平直线上；所述圆环圆心与所述“工”形结构纵向枝节的中心重合；所述可控动态开关4镶嵌于人工微结构3中；所述可控动态开关4嵌套于人工微结构3中金属圆环开口位置，与开口处上下金属线条相衔接。

所述可控动态开关4的边长大于人工微结构3的线宽，也大于开口的宽度，开关的厚度小于人工微结构3金属线的厚度。

所述人工微结构谐振阵列2是由多个谐振单元构成的m×n阵列，其中m≥4，n≥4；相邻人工微结构3的“工”形结构的横向枝节彼此相连。

所述半导体衬底1选择蓝宝石、石英、碳化硅等对于太赫兹波插损小的材料介质。

所述人工微结构3采用al、ag、au等高电导率金属材料。

所述可控动态开关4可采用高阻硅、砷化镓、氮化镓、磷化铟、二氧化钒(vo2)等半导体材料和相变材料。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用的人工电磁谐振结构是由传统偶极谐振“工”字结构和传统l-c谐振回路开口圆环结构相互耦合而成，其中谐振模式也是由偶极谐振和l-c谐振共同耦合而成，大幅增强了谐振强度，从而提高了相位调制能力；

(2)本发明所述的太赫兹空间相位调制器采用并联双开关材料体系设计，即每个调制单元中含有两个可控动态开关，从而提高了器件本身对太赫兹波的控制能力，增强了谐振结构的谐振强度，为获得大的相位调制深度奠定了基础；

(3)本发明采用的谐振单元结构复杂，开关材料采用嵌套式设计与人工微结构金属线有机的结合在一起，使得谐振结构在动态开关通断状态下存在多种不同的谐振模式且使不同模式间相互耦合，由此显著提高了调制深度；

(4)本发明所述相位调制器的控制方式灵活多变，根据所选开关材料的不同，外加激励可选择不同频段的光波，因此该调制器具有很强的通用性，可适应不同光照下的工作环境；

(5)本发明中利用人工微结构设计形成的调制单元阵列是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工；

(6)本发明所述相位调制器是透射式的太赫兹波调相器，相比于反射式的调相器，该器件操作更简单，使用更方便，尤其是在太赫兹点对点通信中更能有效的发挥作用；

(7)本发明所述相位调制器仅单层工作时，在50ghz的工作带宽内调制深度可达100到150度，3层调相器叠加使用即可实现2π的全相位控制，因此其有着极高的相位调制效率；

(8)在拥有大的调制带宽以及调制深度的同时，该器件可工作于常温、常压、非真空条件下且无需波导加载，易于封装，这些使得该相位调制器有着良好的实际应用前景。

附图说明

图1为光控太赫兹空间外部相位调制器的整体设计方案示意图；

图2为光控太赫兹空间外部相位调制器调制单元立体示意图；

图3为未加外部激励时谐振单元的电场与表面电流分布模式图；

图4为加外部激励时谐振单元的电场与表面电流分布模式图；

图5为光控太赫兹空间外部相位调制器在不同强度的外加激励下透射曲线仿真图；

图6为光控太赫兹空间外部相位调制器在不同强度的外加激励下相位变化仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行更深入的详细说明。

本具体实施方式提供一种光控太赫兹空间外部相位调制器，其结构示意图如图1所示，包括半导体衬底1和人工微结构谐振阵列2；所述人工微结构谐振阵列2由周期性分布的动态电磁谐振单元组成，单元结构示意图如图2所示，每个谐振单元包括人工微结构3和可控动态开关4；所述人工微结构谐振阵列2为多个谐振单元构成的m×n的阵列，其中m≥4，n≥4；所述人工微结构谐振阵列2中每行相邻的人工微结构3通过上下两根横向枝节彼此相连。

所述人工微结构3由一个“工”形结构和一个开口圆环结构重叠构成；所述“工”形结构的两根横向枝节长度相同，纵向枝节连接两根横向枝节的中心；所述圆环结构有左右两个大小相同的开口，且开口中心与圆环圆心位于同一水平直线上；所述圆环圆心与所述“工”形结构纵向枝节的中心重合。

每个谐振单元包含两个左右对称且完全相同的可控动态开关4，所述可控动态开关4嵌入在人工微结构3中金属圆环结构的开口位置，与开口处上下金属线条相衔接；所述可控动态开关4的边长大于人工微结构3的线宽，也大于开口的宽度，开关的厚度小于人工微结构3金属线的厚度。

本发明提供的光控太赫兹空间外部相位调制器为复合金属—半导体结构，上述技术方案中，所述半导体衬底1可以选择蓝宝石、石英、碳化硅等半导体材料；所述可控动态开关4可以选择高阻硅、砷化镓、氮化镓、磷化铟、二氧化钒(vo2)等半导体材料和相变材料。所述人工微结构3金属线一般采用al、ag、au等构成，上述金属材料也可采用其它特性相近的金属代替。

本发明提供的光控太赫兹空间相位调制器的调相机制是通过施加外部光照激励，来改变可控动态开关4材料的介电常数和电导率，可控动态开关4材料特性的变化控制着谐振单元中谐振模式的转变，由多个谐振单元组成的人工微结构谐振阵列2对空间中入射的太赫兹波束进行动态相位调制。外加光波的频段由构成可控动态开关4的材料所决定。

具体的调制过程为：当未加外部光照时，可控动态开关4材料的电导率很小，可控动态开关4处于关断状态，从模式图3可以看到，电场主要分布在金属圆环开口以及上下横向枝节的位置，lc谐振模式(模式③)与偶极谐振模式(模式①和②)共存且三种模式彼此耦合，如图5所示，此时结构谐振频率为0.45thz；当施加外部光照，且光照强度逐渐增大时，可控动态开关4材料的特性也随之变化，随着电导率的逐渐增加，可控动态开关4由关断状态向连通状态渐变，最终使得圆环开口处的缝隙被连通，金属圆环被可控动态开关4所闭合，从模式图4上可以看到，电场主要集中在谐振单元结构的横向枝节处，表面电流形成了新的类似偶极振荡的模式④，且与模式①耦合共存，如图5所示，此时结构谐振频率为0.51thz。图中只给出了谐振单元左侧的表面电流分布示意图，由于谐振单元是一种左右对称结构，其右侧的电流分布情况与左侧对称。在上述动态变化过程中，谐振模式的转变导致谐振频点的偏移，随着外加光强逐渐增大，谐振单元的谐振模式由一种模式耦合状态(①、②、③)向另一种模式耦合状态(①、④)渐变，谐振峰由0.45thz逐渐偏移至0.51thz，太赫兹波的相位差值也逐渐增大。图5和图6分别给出了该调相器在不同外加光强下，幅值与相位透射曲线的三维仿真结果。由图6可知，在50ghz的频带范围内该相位调制器可以达到100度以上的相位调制深度，且最大相位调制深度可达150度左右。

需要指明的是，通过改变谐振单元的结构参数，例如圆环半径、“工”形结构枝节长度等，可精确控制该调相器的谐振频点、工作带宽和调相深度，该器件可应用于不同的工作频段。

综上所述，基于可控动态开关4的太赫兹空间外部相位调制器是一种极具实用性的工作于thz频段的多调控模式、大调制深度、宽带宽相位调制器件。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，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。