[发明专利]太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm-30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、指纹性等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。其中，太赫兹通信具有频段资源丰富、带宽大、保密性好等优点，可实现室内短距离或空间保密无线通信，传输速率可达1～10Gbps，太赫兹波在通信领域应用中具有独特的优势，而太赫兹调制器是太赫兹通信系统的关键核心器件。

近年来，众多的太赫兹调制器被提出，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器，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。太赫兹调制器的关键技术指标是：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器，其工作频率0.6THz，调制带宽16GHz，调制深度50％，响应时间130ps[L.Fekete et al.,Opt.Lett 32,680-682(2007)]。一种基于超材料的太赫兹振幅和相位调制器，其工作频率0.81THz，调制带宽约20GHz，调制深度55％，调制速率2MHz[H.T.Chen et al.,Appl.Phys.Lett 93,091117(2008)]。目前的太赫兹调制器存在以下问题：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。

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。文献表明，用飞秒激光泵浦VO₂薄膜，其对太赫兹波的调制响应时间极短，小于1ps[S.B.Choi et al.,Appl.Phys.Lett 98,071105(2011)]。VO₂是一种非常有前途的太赫兹功能材料，尤其是高速调制器件方面。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器是太赫兹通信系统中急需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法，解决太赫兹调制器的调制带宽窄、调制速率低、调制深度小等关键技术问题。

第一方面，提供了一种太赫兹调制器，包括：

铜谐振环阵列1、二氧化钒薄膜2、二氧化硅基底3、宽带太赫兹源4和泵浦激光源5，其中，铜谐振环阵列1和二氧化硅基底3形成超材料，二氧化钒薄膜2镀在二氧化硅基底3的后表面。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，铜谐振环阵列1中的铜谐振环在垂直于二氧化硅基底3的方向上的高度为200nm。

结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，铜谐振环阵列1中的铜谐振环为双环结构，其中，内环为直径28μm，厚度6μm的正方形铜环，外环为直径40μm，厚度为6μm的正方形铜环。

结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，二氧化钒薄膜2的厚度为200nm，在介质相时的电导率不大于0.1，在金属相时的电导率大于2000。

结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，泵浦激光源5为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，泵浦激光源5的泵浦光辐照到超材料上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm2。