[发明专利]一种用于太赫兹波调制的结构材料

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及太赫兹波段电磁波调制技术，特别涉及用于太赫兹波调制用结构材料。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。目前，无线通信正面临有限的频谱资源和迅速增长的带宽、高速业务需求的矛盾。由于太赫兹无线通信理论传输速率可以达到1～10Gb/s，而且具有频段资源丰富，带宽大，保密性好等优点。因此，以太赫兹波为通信载体的新一代通信系统正以其低窃听率，高抗干扰性、全天候工作、定向准等优点而备受重视，并正逐步成为国外相关单位研究的重点。

然而，太赫兹通信技术不是微波通信或者光通信技术的技术移植，而是具有非常多的新型特性，尤其是在太赫兹信号的调制解调技术等方面存在许多新的难题需要解决。应用于太赫兹通信的调制器件，在结构、尺寸、性能和工作方式上均与微波和光波通信技术中的器件相去甚远，需要进行新的设计和研制。2006年美国Los Alamos国家实验室的C.T.Chen博士提出了一种基于金属型电磁超颖材料(Electromagnetic Metamaterials)的太赫兹调制器件[H.T.Chen，et al，Nature，444，597-600，(2006)]。该器件是在Si或者GaAs半导体基板上构建金属电磁共振单元(Resonator Unit)阵列而成，通过外加电场改变半导体基板载流子浓度从而影响共振环的太赫兹共振幅度，实现对于太赫兹波透射信号的调制。这是所指的电磁超颖材料(Electromagnetic Metamaterials)，是一种特殊的结构材料，一般是由亚波长尺度的电磁共振器阵列分布在介电基板上而构成，他们的功能特性主要是由基片性质和共振器的结构尺寸所决定。这里的电磁共振器(Resonator)，又称为人工电磁单元(artificial atoms)，是指各种人为设计的亚波长结构，当这些亚波长结构组成一定周期的阵列时，可以对特定频段的电磁波产生谐振现象，从而导致电磁波在谐振频段附近的透射、吸收和反射性能跟其他频段有所不同。典型的电磁共振器包括开口环共振器(Split Ring Resonator，SRR)或者金属线(metallicwires)。C.T.Chen博士提出的金属型电磁超颖材料就是采用SRR阵列构建在半导体基片上而形成的。利用这种金属型电磁超颖材料，不但可以实现电控的太赫兹信号调制，还可以实现光控太赫兹信号调制，其基本原理都是利用外场激发半导体基片的载流子来实现太赫兹信号调制。然而，半导体中的载流子对太赫兹波的吸收非常显著，这在一定程度上限制了太赫兹调制幅度的提高，目前所提出的太赫兹调制器仅仅能够达到50％的调制幅度，这对其应用构成了极大限制。

发明内容

本发明提供一种用于太赫兹波调制的结构材料，该结构材料借助于热或激光调制，可实现高达80％的太赫兹信号调制幅度。可以用于太赫兹无线通信、太赫兹雷达等系统。

本发明技术方案为：

一种用于太赫兹波调制的结构材料，如图1所示，包括介质基板2和附着于介质基板2表面的电磁共振器阵列1。所述介质基板2是对太赫兹波高度透明的介质材料基板。所述电磁共振器阵列1是由多个相同形状和尺寸的电磁共振器单元构成的阵列，且每个电磁共振器单元由沉积于介质基板2表面的二氧化钒(VO₂)薄膜形成。

上述技术方案中，所述电磁共振器单元的形状可以是任意现有各种电磁共振器单元的形状。所述二氧化钒(VO₂)薄膜的厚度在0.1～1微米之间，其沉积工艺可采用现有的各种薄膜沉积工艺。所述对太赫兹波高度透明的介质材料基板，在本发明中采用的是石英玻璃基板，其厚度在300～1000微米之间。

本发明的核心思想是采用对太赫兹波高度透明的介质材料作为基板，同时采用二氧化钒(VO₂)薄膜制作电磁共振器阵列。采用对太赫兹波高度透明的介质材料(如石英玻璃)作为基板，是因为该类材料在太赫兹波段具有非常小且稳定的太赫兹波吸收损耗。采用二氧化钒薄膜制作电磁共振器阵列，是因为二氧化钒薄膜是一种高速相变材料，具有绝缘体一金属相变特性，在常温下为单斜系的绝缘材料，而在68℃附近转变为金红石结构的金属相。伴随着从绝缘体到金属的相变过程，二氧化钒薄膜的电导率发生1000-10000倍的巨大变化，介电和光学性能也发生显著的变化。