[發明專利]一種用于太赫茲波調制的結構材料

無效

• 申請號: 201010218977.2
• 申請日: 2010-07-07
• 公開（公告）號: CN101943803A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發明（設計）人: 文岐業;張懷武;楊青慧;劉穎力;李元勛
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/00
• 分類號: G02F1/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于電子技術領域，涉及太赫茲波段電磁波調制技術，特別涉及用于太赫茲波調制用結構材料。

背景技術

太赫茲(THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指頻率從100GHz到10THz，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當寬的電磁波譜區域，被稱為電磁波譜中的“THz空隙”。目前，無線通信正面臨有限的頻譜資源和迅速增長的帶寬、高速業務需求的矛盾。由于太赫茲無線通信理論傳輸速率可以達到1～10Gb/s，而且具有頻段資源豐富，帶寬大，保密性好等優點。因此，以太赫茲波為通信載體的新一代通信系統正以其低竊聽率，高抗干擾性、全天候工作、定向準等優點而備受重視，并正逐步成為國外相關單位研究的重點。

然而，太赫茲通信技術不是微波通信或者光通信技術的技術移植，而是具有非常多的新型特性，尤其是在太赫茲信號的調制解調技術等方面存在許多新的難題需要解決。應用于太赫茲通信的調制器件，在結構、尺寸、性能和工作方式上均與微波和光波通信技術中的器件相去甚遠，需要進行新的設計和研制。2006年美國Los?Alamos國家實驗室的C.T.Chen博士提出了一種基于金屬型電磁超穎材料(Electromagnetic?Metamaterials)的太赫茲調制器件[H.T.Chen，et?al，Nature，444，597-600，(2006)]。該器件是在Si或者GaAs半導體基板上構建金屬電磁共振單元(Resonator?Unit)陣列而成，通過外加電場改變半導體基板載流子濃度從而影響共振環的太赫茲共振幅度，實現對于太赫茲波透射信號的調制。這是所指的電磁超穎材料(Electromagnetic?Metamaterials)，是一種特殊的結構材料，一般是由亞波長尺度的電磁共振器陣列分布在介電基板上而構成，他們的功能特性主要是由基片性質和共振器的結構尺寸所決定。這里的電磁共振器(Resonator)，又稱為人工電磁單元(artificial?atoms)，是指各種人為設計的亞波長結構，當這些亞波長結構組成一定周期的陣列時，可以對特定頻段的電磁波產生諧振現象，從而導致電磁波在諧振頻段附近的透射、吸收和反射性能跟其他頻段有所不同。典型的電磁共振器包括開口環共振器(Split?Ring?Resonator，SRR)或者金屬線(metallicwires)。C.T.Chen博士提出的金屬型電磁超穎材料就是采用SRR陣列構建在半導體基片上而形成的。利用這種金屬型電磁超穎材料，不但可以實現電控的太赫茲信號調制，還可以實現光控太赫茲信號調制，其基本原理都是利用外場激發半導體基片的載流子來實現太赫茲信號調制。然而，半導體中的載流子對太赫茲波的吸收非常顯著，這在一定程度上限制了太赫茲調制幅度的提高，目前所提出的太赫茲調制器僅僅能夠達到50％的調制幅度，這對其應用構成了極大限制。

發明內容

本發明提供一種用于太赫茲波調制的結構材料，該結構材料借助于熱或激光調制，可實現高達80％的太赫茲信號調制幅度。可以用于太赫茲無線通信、太赫茲雷達等系統。

本發明技術方案為：

一種用于太赫茲波調制的結構材料，如圖1所示，包括介質基板2和附著于介質基板2表面的電磁共振器陣列1。所述介質基板2是對太赫茲波高度透明的介質材料基板。所述電磁共振器陣列1是由多個相同形狀和尺寸的電磁共振器單元構成的陣列，且每個電磁共振器單元由沉積于介質基板2表面的二氧化釩(VO₂)薄膜形成。

上述技術方案中，所述電磁共振器單元的形狀可以是任意現有各種電磁共振器單元的形狀。所述二氧化釩(VO₂)薄膜的厚度在0.1～1微米之間，其沉積工藝可采用現有的各種薄膜沉積工藝。所述對太赫茲波高度透明的介質材料基板，在本發明中采用的是石英玻璃基板，其厚度在300～1000微米之間。

本發明的核心思想是采用對太赫茲波高度透明的介質材料作為基板，同時采用二氧化釩(VO₂)薄膜制作電磁共振器陣列。采用對太赫茲波高度透明的介質材料(如石英玻璃)作為基板，是因為該類材料在太赫茲波段具有非常小且穩定的太赫茲波吸收損耗。采用二氧化釩薄膜制作電磁共振器陣列，是因為二氧化釩薄膜是一種高速相變材料，具有絕緣體一金屬相變特性，在常溫下為單斜系的絕緣材料，而在68℃附近轉變為金紅石結構的金屬相。伴隨著從絕緣體到金屬的相變過程，二氧化釩薄膜的電導率發生1000-10000倍的巨大變化，介電和光學性能也發生顯著的變化。