电流调制太赫兹器件、太赫兹波调制系统、信息加密系统

本技术涉及超材料及太赫兹功能器件领域，尤其涉及一种基于vo2和超材料的电流调制太赫兹器件、太赫兹波调制系统、信息加密系统。

背景技术：

1、超材料通过设计周期性单元结构实现对电磁波的特殊响应从而获得了很多不寻常的特性，如负折射，完美透镜，超透镜和隐形隐身等。然而这些超材料是被动的，因为它们的光学响应在制造后不能动态改变。

2、二氧化钒(vo2)作为一种相变材料，它在近室温下表现出绝缘体-金属过渡(imt)行为。相变过程中，vo2在高温金属四方相与低温绝缘单斜相之间发生可逆电阻变化。电导率能够达到几个数量级的变化，同时伴有热滞特性。这些优秀的特性使vo2材料适用于许多有前途的应用，如智能窗口、光开关和相变存储器。

3、但是，对基于vo2和超材料的器件进行热控制时需要通过使用昂贵且笨重的加热设备，这为实验的操作带来了不便，进一步失去了发展成集成器件的机会。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、有鉴于此，本实用新型期望至少部分解决上述技术问题中的其中之一。

3、(二)技术方案

4、根据本实用新型的第一个方面，提供了一种电流调制太赫兹器件，包括：对太赫兹波透明的基底；形成于基底上的vo2层；形成于vo2层上的微谐振器；微谐振器包括：形成于vo2层上，用于加载偏置电流，左右对称的电流正极端和电流负极端；形成于vo2层上电流正极端和电流负极端内侧，左右对称，阵列布置的n×m个谐振单元，n≥2，m≥2；其中，在水平方向上，谐振单元上下对称，包括：封闭环；分别穿过封闭环左、右两侧的左延伸臂和右延伸臂；左延伸臂的左侧连接电流正极端或上一谐振单元的右延伸臂；右延伸臂的右侧连接下一谐振单元的左延伸臂或电流负极端；左、右延伸臂之间形成矩形开口区域，每行的m个谐振单元依次串联，n行谐振单元的两端分别连接至电流正极端和电流负极端。

5、在本实用新型的一些实施例中，包括：形成于vo2层上，阵列布置的s×t个微谐振器，s≥2，t≥2。

6、在本实用新型的一些实施例中，对于每一个微谐振器，n×m个谐振单元的结构参数相同，且n＝m。

7、在本实用新型的一些实施例中，谐振单元的周期p介于40μm～60μm之间；封闭环为封闭方环，其边长l介于30μm～40μm之间；线宽w介于3μm～6μm之间；左、右延伸臂的线宽与封闭环的线宽相同；矩形开口区域的高度h介于5μm～15μm之间，宽度g介于2μm～8μm之间。

8、在本实用新型的一些实施例中，vo2层的厚度介于5nm～100nm之间。

9、在本实用新型的一些实施例中，电流正极端和电流负极端为内侧n行谐振单元加载的偏置电流介于0～0.7a之间。

10、在本实用新型的一些实施例中，在厚度方向上，谐振单元包括：形成于vo2层上的粘性金属层；形成于粘性金属层上的导电层，粘性金属层的厚度介于5nm～100nm之间，导电金属层的厚度介于100nm～300nm之间，由粘性金属层和导电金属层形成封闭环和左、右延伸臂。

11、在本实用新型的一些实施例中，在水平方向，谐振单元的周期为50μm；封闭环的边长l为36μm，线宽w为4μm；左、右延伸臂之间矩形开口区域的高度h为10μm。

12、在本实用新型的一些实施例中，在竖直方向，基底为蓝宝石基底；vo2层的厚度为10nm；粘性金属层为铬薄膜，其厚度为20nm；导电金属层为金薄膜，其厚度为200nm。

13、在本实用新型的一些实施例中，电流调制太赫兹器件作为太赫兹波主动调制器或信息加密存储器。

14、根据本实用新型的第二个方面，提供了一种太赫兹波调制系统，包括：如上的电流调制太赫兹器件，其作为太赫兹波主动调制器；偏置电流源，其两端连接至太赫兹波主动调制器中微谐振器的电流正极端和电流负极端；其中，偏置电流源将承载编码信息的编码电流加载至太赫兹波主动调制器中微谐振器的电流正极端和电流负极端，以调控微谐振器的太赫兹波透过率。

15、在本实用新型的一些实施例中，太赫兹波主动调制器包括：阵列布置的s×t个微谐振器，s≥2，t≥2，对于每一微谐振器，n×m个谐振单元的结构参数相同；对于不同微谐振器，其内部谐振单元的结构参数不同，且偏置电流源可为不同微谐振器提供不同的偏置电流。

16、根据本实用新型的第二个方面，提供了一种信息加密系统，包括：如上的电流调制太赫兹器件，其作为信息加密存储器；微谐振器作为信息加密存储器的像素。

17、在本实用新型的一些实施例中，信息加密存储器包括：阵列布置的s×t个微谐振器，s≥2，t≥2，每一个微谐振器作为组成信息加密存储器的一个像素，对于每一个微谐振器，n×m个谐振单元的结构参数相同；对于不同微谐振器，其内部谐振单元的结构参数不同。

18、(三)有益效果

19、从上述技术方案可知，本实用新型相对于现有技术至少具有以下有益效果之一：

20、(1)在微谐振器的两侧对称设置电流正极端和电流负极端，通过偏置电流在通过微谐振器时产生的电场来对下方的vo2材料进行加热。微谐振器的结构导致了vo2的相变高度局域和依附于微谐振器的电流丝(electrical current filaments)的分布，这样设计既可以确保偏置电流在流经每个谐振器时产生较为一致的加热效果，又可以利用间隙的不同实现对太赫兹波的共振光谱响应的操控和透过谱谱线的调节。

21、与采用激光照射的调控方式相比，本实用新型更加有利于和当前集成电路主流技术的融合，同时还避免了激光光源和太赫兹波源之间的干扰。

22、与采用电压的调控方式相比，本实用新型采用电流调制加热的方式，实验证明电流调整更为的直接有效，并且电流可以作为额外的调制参数拓展了器件的应用范围。同时更加有利于同当前的集成电路技术相结合。

23、与传统的热控制vo2相变的调制方式相比，本实用新型抛弃了笨重的外加热器，采用灵活的电调控方式，降低了实际操作的复杂性，为集成器件的发展提供了便利。

24、与vo2层和下层材料形成p-n结来对vo2材料进行加热的调制方式相比，本实用新型利用超材料的金属特性在通电后产生焦耳热，对vo2层进行加热，从而改变vo2材料的电导率，降低太赫兹波透过率，过程更加直接有效，能耗更低，同时降低了对基底材料进行掺杂而对集成电路其他部件所产生的影响。

25、与利用vo2粉末仅在裂环开口处形成相变材料区相比，本实用新型具有如下优势，第一，通过外延生长的方式制作的整片的vo2层，结晶性更高，一致性更好，从而器件的可靠性更高；第二，整体镀膜工艺可控性更好，制作成本较低，更加有利于工业化生产；第三，更加有利于与当前集成电路主流技术相融合。

26、(2)相比于现有技术非对称的谐振单元，本实用新型中无论是微谐振器中电流正极端、电流负极端的对称布置，谐振单元的阵列布置，谐振单元内部构造，均是设置为对称布置。与现有技术中非对称的谐振单元，如此对称设置，使得整个器件的电学、热力学特性更加稳定。

27、(3)每个微谐振器都是在同一基板上制造的具有不同亚波长大小的裂环谐振单元结构阵列，并通过施加外部电流进行独立控制。每个微谐振器所需的阈值电流大小和共振响应的不同使得该微谐振器可以根据实际需求作为一个具有空间选择性的太赫兹调制器。

28、(4)采用具有lc共振模式的裂环结构来构造太赫兹超表面层微结构。lc共振模式使频谱谱线展现出尖锐且具有高质量因子的线形，该线形对外场响应灵敏度较高，可以增强太赫兹波对vo2相变过程中电导率变化的响应，提高频谱曲线线形对vo2相变时的调制灵敏度。

29、(5)在太赫兹超表面微结构中，谐振单元结构内部间隙尺寸分别是8、6、4、2μm；其中，间隙最小的微谐振器具有最强响应的lc共振模式，所以在频谱中表现出最尖锐的共振谷谱线线形，在对vo2的相变调制中表现出最大的灵敏程度。完全调制时，间隙的减小使器件的工作电流从0.62a减小到0.38a，有效的降低了器件的工作阈值。

30、(6)基于电流调制太赫兹器件展现出的高调制深度和迟滞特性，开发了一种基于透过谱的太赫兹波调制系统。基于可擦写特性和不同电致的非挥发性多能级电导态，多个微谐振器阵列均可实现可重写功能，并且可以对输出的二进制编码进行任意组合输出，为光子存储器和太赫兹通信器件的发展提供了令人兴奋的机会。

31、(7)利用不同谐振单元结构阵列产生的分离的透射率迟滞回线，进一步在太赫兹频段提供了一种频率可选动态可调彩色图案显示的信息加密系统，通过预设太赫兹波透过率与色彩的对应关系，利用电流和太赫兹波频率作为解密密钥可以实现信息加密和多图像再现。