一种光控太赫兹波调制装置及其制备方法与流程

本发明涉及一种通信技术领域，尤其涉及一种光控太赫兹波调制装置及其制备方法。

背景技术：

太赫兹波又称远红外波，是指频率在0.1—10太赫兹波段内的电磁波，曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一，它是电磁波段中最后一段未被人类充分认识和应用波段。由于频率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体的破坏较小，所以与x射线相比，太赫兹成像技术和波谱技术更具优势，在空间探测、医学成像、安全检查、宽带通信等方面具有广阔的前景。近年来，众多的太赫兹调制装置被提出，包括基于量子阱、光子晶体、半导体硅、超材料等的太赫兹调制装置，按调制方式可以分为调幅、调相、调频等，按控制方式又可分为电控、磁控、光控、压电等类型。太赫兹调制装置的关键技术指标是：工作中心频率、工作带宽、调制速率和响应时间、调制深度、插入损耗、传输损耗等。例如，一种基于一维光子晶体砷化镓缺陷的光控超快太赫兹强度调制装置，其工作频率0.6太赫兹，调制带宽16ghz，调制深度50％，响应时间130ps。

现有能实现调制功能的材料在太赫兹波段十分有限，它们都往往伴随强烈的太赫兹吸收损耗。而如高阻硅、聚合物等低损耗的太赫兹材料载流子复合时间长、非线性系数小，难以实现高速、大调制深度的太赫兹调制。二氧化钒(vo2)是一种相变铁电材料，它在温、光或电场下发生电介质到金属的转变(温度：临界温度340k，光照：皮秒或飞秒脉冲)，其电导率可以有3到5个数量级的变化。介质相时，太赫兹波能良好透过vo2薄膜，金属相时，太赫兹波被vo2薄膜反射。vo2是一种非常有前途的太赫兹功能材料，尤其是高速调制装置方面。如何利用现有的太赫兹功能材料，研制出工作带宽大、调制速率快、调制深度大的太赫兹调制装置是太赫兹通信系统中急需解决的关键技术问题。

目前的太赫兹调制装置存在以下问题：工作频率主要在低频、毫米波段；调制带宽窄，一般只有几个ghz，调制速率低，最高调制速率一般在mhz量级，无法发挥太赫兹波高载波频率大传输带宽的优势；调制深度小，一般在50％以内，并且这一指标随着调制速率和工作频率的升高而迅速下降。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种光控太赫兹波调制装置及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光控太赫兹波调制装置及其制备方法，包括：依次设置的衬底、缓冲层、异质层、第一电极、第二电极以及电压电流源。

所述电压电流源包括正极输出端和负极输出端，所述衬底包括相对的第一表面及第二表面，所述第一电极设置于所述第一表面、所述第二电极设置于所述第二表面，所述异质层上形成若干列晶体管，若干列晶体管之间相互串联，若干列晶体管欧姆电极均连接有第一电极，相邻两列的晶体管的栅极相互连接，所述栅极连接第二电极，所述欧姆电极、栅极、第一电极和第二电极形成复合超颖表面结构，所述栅极调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导，所述复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间转换。

本发明一个较佳实施例中，所述电压电流源包括正极输出端和负极输出端，所述正极输出端与所述第一电极电连接，所述负极输出端与所述第二电极电连接。

本发明一个较佳实施例中，当所述衬底进入雪崩击穿状态时转换为电流源，所述电压电流源调节输出至所述衬底的电流以调整所述衬底的太赫兹波透过率。

本发明一个较佳实施例中，所述衬底的厚度不大于1500μm。

本发明一个较佳实施例中，所述第一电极和所述第二电极为条形电极或环形电极。

本发明一个较佳实施例中，衬底采用厚度为1.5mm的石英晶体。

一种光控太赫兹波调制装置的制备方法，包括如下步骤：

s1:预处理衬底，将衬底依次进行超声清洗，超声清洗的清洗温度为50℃，每项超声清洗的时间均为20分钟；

s2:将超声清洗过的衬底放在100℃的热台上烘干8-12分钟进行，得到预处理好的衬底；

s3:在预处理后的衬底上进行光刻，形成不对称铝开口谐振环图形；

s4:配置钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂或刮涂方法将该溶液涂覆在刻有周期分布铝开口谐振环图形的衬底上，再将其放置于温度为95-105℃热台上退火10-15分钟，在衬底及铝图形上形成40-80nm厚的平整的薄膜。

本发明一个较佳实施例中，所述旋涂方法包括第一步旋涂和第二步旋涂。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

（1）本发明采用钙钛矿薄膜作为太赫兹调制装置的光控功能层，钙钛矿材料的光电性质非常优秀，具有较大的载流子迁移率和载流子扩散长度，实现太赫兹调制所要求的能量密度可以下降到很低，光控太赫兹调制装置的灵敏度得到了极大的提高，相比硅或砷化镓，钙钛矿薄膜在未来的基于柔性的超材料结构、多层超材料结构以及其他光子器件上上可以完美兼容。

（2）本发明可以在正常温度下实现太赫兹波的强度调制，调制频率范围宽，调制幅度范围大，与传统太赫兹波调制装置相比，能有效地调制太赫兹波的强度。在金属或者半导体基片上采用现有各种成熟工艺可很容易地制作出孔阵列结构，而且本发明对本征半导体和金属材料的选取要求较低，所以整个装置的成本较低。

（3）该结构的太赫兹调制装置相比以往，结构简单新颖，具有更高的能隙频率和超导转变温度，较普通金属具有极低的欧姆损耗和可调谐性，提高了调制装置的性能，具有更高的调制率，同时，调制所需的电压较小，对于偏振方向平行于线栅栅条的太赫兹波，共振超颖表面在低于电偶极共振频率范围内具有高透射率，而具有高电导率的线栅却禁止具有该偏振的太赫兹波透过，由于线栅本身所具有的宽带特性，能实现宽带且高效的太赫兹调制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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的附图。

附图标记：

图1为本发明优选实施例的太赫兹波调试前后示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种光控太赫兹波调制装置及其制备方法，包括：依次设置的衬底、缓冲层、异质层、第一电极、第二电极以及电压电流源，电压电流源包括正极输出端和负极输出端，衬底包括相对的第一表面及第二表面，第一电极设置于第一表面、第二电极设置于第二表面，异质层上形成若干列晶体管，若干列晶体管之间相互串联，若干列晶体管欧姆电极均连接有第一电极，相邻两列的晶体管的栅极相互连接，栅极连接第二电极，欧姆电极、栅极、第一电极和第二电极形成复合超颖表面结构，栅极调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导，复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间转换。

电压电流源包括正极输出端和负极输出端，正极输出端与第一电极电连接，负极输出端与第二电极电连接，当衬底进入雪崩击穿状态时转换为电流源，电压电流源调节输出至衬底的电流以调整衬底的太赫兹波透过率，衬底的厚度不大于1500μm，第一电极和第二电极为条形电极或环形电极，衬底采用厚度为1.5mm的石英晶体。

采用钙钛矿薄膜作为太赫兹调制装置的光控功能层，钙钛矿材料的光电性质非常优秀，具有较大的载流子迁移率和载流子扩散长度，实现太赫兹调制所要求的能量密度可以下降到很低，光控太赫兹调制装置的灵敏度得到了极大的提高，相比硅或砷化镓，钙钛矿薄膜在未来的基于柔性的超材料结构、多层超材料结构以及其他光子器件上上可以完美兼容。

在正常温度下实现太赫兹波的强度调制，调制频率范围宽，调制幅度范围大，与传统太赫兹波调制装置相比，能有效地调制太赫兹波的强度。在金属或者半导体基片上采用现有各种成熟工艺可很容易地制作出孔阵列结构，而且本发明对本征半导体和金属材料的选取要求较低，所以整个装置的成本较低。

该结构的太赫兹调制装置相比以往，结构简单新颖，具有更高的能隙频率和超导转变温度，较普通金属具有极低的欧姆损耗和可调谐性，提高了调制装置的性能，具有更高的调制率，同时，调制所需的电压较小，对于偏振方向平行于线栅栅条的太赫兹波，共振超颖表面在低于电偶极共振频率范围内具有高透射率，而具有高电导率的线栅却禁止具有该偏振的太赫兹波透过，由于线栅本身所具有的宽带特性，能实现宽带且高效的太赫兹调制。

一种光控太赫兹波调制装置的制备方法，包括如下步骤：

s1:预处理衬底，将衬底依次进行超声清洗，超声清洗的清洗温度为50℃，每项超声清洗的时间均为20分钟；

s2:将超声清洗过的衬底放在100℃的热台上烘干8-12分钟进行，得到预处理好的衬底；

s3:在预处理后的衬底上进行光刻，形成不对称铝开口谐振环图形；

s4:配置钙钛矿前驱体溶液，采用旋涂或刮涂方法将该溶液涂覆在刻有周期分布铝开口谐振环图形的衬底上，再将其放置于温度为95-105℃热台上退火10-15分钟，在衬底及铝图形上形成40-80nm厚的平整的钙钛矿薄膜。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。