加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器及方法技术

本发明专利技术属于电磁功能器件技术领域，公开了一种加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器及方法，所述基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构包括：波导输入端口，波导－鳍线过渡部分，多个VO2片上微结构单元，鳍线－波导过渡部分，波导输出端口以及外部激光馈入部分。本发明专利技术采用简单对称的方形裂口环结构，可以对于大小不同的太赫兹电磁波进行控制，结构简单，方便调制；本发明专利技术通过简单的插入式结构实现对于太赫兹电磁波的调制，通过激光刻蚀、细微加工等手段实现，且制作简单，使用方便，具有良好的应用潜力和前景。具有良好的应用潜力和前景。具有良好的应用潜力和前景。

【技术实现步骤摘要】
加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器及方法


[0001]本专利技术属于电磁功能器件
，尤其涉及一种加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器及方法。

技术介绍

[0002]目前，太赫兹波是指频率在0.1
‑
10THz(波长在3mm
‑
30um之间)范围内的电磁波，其频率介于微波毫米波和红外可见光之间，太赫兹波在长波段上与毫米波相重合也被称为亚毫米波，而在短波段与红外线相重合也被称为远红外线，在电磁波谱中位于由宏观电子学至微观光子学过渡的重要区域。与微波相比，太赫兹波在波束指向性、通信容量、抗干扰以及成像分辨率等方面表现出很大的优势。
[0003]针对通信和雷达系统领域的相关相位调制技术的需求，精确的相位控制及连续可调的动态相位调制器件成为了研究的热门。动态可调的太赫兹相位调制器件通常基于金属结构和电磁特性可变材料研制而成，其动态变化需要外界条件的刺激如热源、电场、激光等。通过外界刺激对金属结构中电磁特性可变材料进行控制，可以改变其电导率、电容、电阻、等效介电常数等电磁特性，从而达到对太赫兹波相位调制进行动态控制的目的。
[0004]二氧化钒(VO2)是一种强关联电子体系氧化物，外界微小的刺激即可其发生可逆的金属态到绝缘态的转变。研究人员基于VO2的材料特性、相变特性与影响因素和相变机理的研究开展了大量的工作。研究表明VO2的相变特性受到温度变化、电场激发、激光激发、应力激发等方式的影响，导致VO2电导率的变化最高可达5个数量级，相变的速度可达到亚ps量级，其在THz波段的超快响应特性使其在THz波动态调控器件中展示出巨大的应用潜力。
[0005]鳍线作为微波波段比较常见的结构之一，鳍线广泛地应用在各种电路之中，为实现混合电路提供有力的条件。由于鳍线结构简单、损耗低且鳍线中的导波波长大于同频率下微带线的工作波长，更适用于在太赫兹波段器件的设计。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0007](1)现有技术相位动态调制速率低；
[0008](2)现有技术结构移相时插入损耗大、相移范围小；
[0009](3)现有技术结构复杂且，集成性低；
[0010](4)现有技术设备制作繁琐，使用不方便。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器及方法。本专利技术具体涉及一种使用太赫兹波段的相位调制器件，尤其涉及一种基于鳍线结构加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹相位调制器。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构包括：
[0013]波导输入端口，用于馈入高频的太赫兹电磁波，更易于连接其他模块；
[0014]波导－鳍线过渡部分，用于将矩形波导的TE
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模式转换为鳍线的混合工作模式，使得输入波导端口内的太赫兹电磁波耦合到鳍线结构中，有效减小了芯片的尺寸和插入损耗；
[0015]VO2片上微结构单元部分，通过激光控制VO2片的绝缘态和金属态转变，结合多个微结构单元移相叠加方法，增加太赫兹波相位调控范围，实现太赫兹波多位相位调制；
[0016]外部激光馈入部分，可为每个微结构单元提供独立控制，利用VO2相变特性，实现多个微结构单元的相移叠加；
[0017]鳍线－波导过渡部分，将鳍线的混合工作模式转换为矩形波导的TE
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模式，实现太赫兹电磁波从鳍线到波导端口的过渡，实现波导端口的低插损输出。
[0018]进一步，所述波导输入端口、波导输出端口均由直波导构成。
[0019]进一步，所述波导－鳍线过渡部分为一段渐变式鳍线结构。
[0020]进一步，所述VO2片上微结构单元部分包括四个并联的微结构单元，每个微结构单元包括两个左右对称的VO2片结构、方形双裂口环结构，所述VO2片包括在方形裂口处两个对称的VO2片，基于VO2的光致相变特性，可实现亚ps级别的绝缘态和金属态转变；所述方形双裂口环结构包括两个部分，上面部分包括金属条开路枝节、上面方形裂口环左侧开路枝节以及上面方形裂口环右侧开路枝节，下面部分包括下面方形裂口环左侧开路枝节、下面方形裂口环右侧开路枝节以及金属条短路接地枝节，方形双裂口环结构可实现等效LC电路谐振点的控制，使得通过的太赫兹波相位发生变化，同时保证良好的插入损耗；
[0021]在基于基板的另一面安装有鳍线结构，该鳍线结构是鳍线从波导－鳍线过渡部分延长至鳍线－波导过部分，用于将太赫兹电磁波束缚在矩形波导的中央位置。
[0022]所述的方形裂口环结构的金属材料为Au、Ag、Cu或Al。
[0023]进一步，所述鳍线－波导过渡部分采用一段渐变式鳍线结构实现太赫兹电磁波从鳍线到波导端口的过渡。
[0024]进一步，所述的外部激光馈入部分由比VO2片大的小孔构成，该小孔位于VO2片的正上方的波导壁上，将外部的激光源馈入到VO2片上，通过控制外部激光源，实现对于VO2相变特性的控制。
[0025]进一步，所述多个VO2片上微结构单元5包括N个调制单元，N≥2。
[0026]进一步，所述的鳍线以及多个VO2片上微结构单元的基底材料为石英、碳化硅、蓝宝石或砷化镓材料。
[0027]本专利技术的另一目的在于提供一种基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制方法包括：
[0028]太赫兹电磁波从矩形波导的输入端口输入，通过波导－鳍线的过渡减少芯片尺寸，实现太赫兹电磁波低插损耦合到鳍线结构以及多个VO2片上微结构单元上；同时位于波导壁上方的激光，通过波导壁上的小孔照射到VO2片上，根据VO2的相变特性，在不同强度的激光照射下，VO2的电导率发生变化并且其变化最高达5个数量级，相变的速度达到亚ps量级，此时VO2片将在绝缘态和金属态之间发生转变，实现对VO2片上微结构的导通和断开两种状态的控制；微结构中的方形双裂口环结构的等效LC电路谐振点随VO2的状态改变，使得微结构单元的等效阻抗发生变化，其在保证良好的插入损耗情况下实现了太赫兹波相移；多个VO2片上微结构级联实现了微结构相移叠加，增加了太赫兹波的相位调控范围，并且实现
了太赫兹波多位相位调制；最后通过鳍线－波导结构的过渡，将已经相位调制后的太赫兹波在矩形波导端口输出。
[0029]结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0030]第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本专利技术的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本专利技术技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0031]本专利技术针对现有的太赫兹波相位调制器插损大、相移范围小、调制速率慢的问题，提出了一种鳍线结构加载多个VO2片上微结构单元的太赫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构，其特征在于，所述基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构包括：波导输入端口，用于馈入太赫兹电磁波；波导－鳍线过渡部分，用于将矩形波导的TE
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模型转换为鳍线的混合工作模式，实现太赫兹电磁波由波导到鳍线的转换，将输入波导端口内的太赫兹电磁波耦合到鳍线结构中；VO2片上微结构单元部分，通过激光控制VO2片的绝缘态和金属态转变，结合多个微结构单元移相叠加方法，增加太赫兹波相位调控范围，实现太赫兹波多位相位调制；鳍线－波导过渡部分，将鳍线的混合工作模式转换为矩形波导的TE
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模式，实现太赫兹电磁波从鳍线到波导端口的过渡；波导输出端口，用于输出被调制后的太赫兹电磁波；外部激光馈入部分，用于通过控制外部激光源，实现对于VO2相变特性的控制。2.如权利要求1所述的基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构，其特征在于，所述波导输入端口、波导输出端口均由直波导构成。3.如权利要求1所述的基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构，其特征在于，所述波导－鳍线过渡部分为一段渐变式鳍线结构。4.如权利要求1所述的基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构，其特征在于，所述VO2片上微结构单元部分包括四个并联的微结构单元，每个微结构单元包括两个左右对称的VO2片结构、方形双裂口环结构，所述VO2片包括在方形裂口处两个对称的VO2片；所述方形双裂口环结构包括两个部分，上面部分包括金属条开路枝节、上面方形裂口环左侧开路枝节以及上面方形裂口环右侧开路枝节，下面部分包括下面方形裂口环左侧开路枝节、下面方形裂口环右侧开路枝节以及金属条短路接地枝节；在基于基板的另一面安装有鳍线结构，该鳍线结构是鳍线从波导－鳍线过渡部分延长至鳍线－波导过部分，用于将太赫兹电磁波束缚在矩形波导的中央位置；所述的方形裂口环结构的金属材料为Au、Ag、Cu或Al。5.如权利要求1所述的基于鳍线加载多个VO2片上微结构单元的太赫兹调制器结构，其特征在于，所述鳍线－波导过渡部分采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：高跃，梁华杰，赵浛瑜，邹林，史宗君，张雅鑫，杨梓强，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：