CN111367096B - 一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，属于电磁功能器件技术领域。包括柔性基底以及完全沉积在柔性基底之上的单元调制结构层；所述单元调制结构层由m个振幅调制单元结构以复制平移的方式依次排列组成，其中m≥1；所述振幅调制单元结构包括金属结构和二氧化钒；金属结构为2根横杆和1根竖杆组成的“工”字型结构；竖杆为中间设开口的偶极谐振杆,该开口将竖杆分成上竖杆和下竖杆，上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有金属枝节；所述二氧化钒填充在开口处，以连通上竖杆和下竖杆。本发明提供的太赫兹幅度调制器实现了在任意曲率的曲面上幅度动态调控，具有结构简单易制作、调谐效果好且调谐功能稳定的特点。

Description

一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器

技术领域

本发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段动态功能器件，尤其是涉及一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器。

背景技术

目前，可调谐的太赫兹器件不仅是器件研究的热门方向，也是未来器件研究的一个发展趋势。基于超材料的可调谐器件的研究，通常基于不同外部条件如电场、磁场、温度、光激励等来改变谐振点的频率或者幅度。如通过激光来控制光导半导体材料的电导率、或温度控制超导材料的电阻等设计可调谐的太赫兹调制器。这与以前要通过改变结构的尺寸来获得可调谐相比，更加地节约成本，不需要多次加工测试，一个模板就可以实现。

按照调制方式进行区分，太赫兹调制技术通常可以分为2种方法：一种为间接调制，即基于现有微波通信技术，采用在低频微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段实现通信过程；另一种为直接调制，即在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无线通信。

从目前研究情况来看，普遍认为直接调制能够充分利用太赫兹波的特点，实现高速大容量通信。目前的太赫兹直接调制器件多采用阵列型结构，采用超材料结构方式实现对太赫兹波的调制。阵列基本结构包括了开口谐振环、“十”字型、“工”字型等基本结构及其变形。其中对于太赫兹波幅度调制，“工”字型结构具有结构简单，电磁波响应模式明显等优良特性。这种结构满足电控型调制器的电路需求，应用在电控型调制器中可实现高速率调制。但是这种高速率的调制器，对电路布线有极高的要求，会出现大阵列后的线路布线影响到结构调制效果的问题，从而降低调制器调制效果。与此同时，包括电控型调制器和其他调制器，多数采用石英、蓝宝石、高阻硅或碳化硅等硬质基底，成型后，不可弯折，在很多曲面和共型设备上均无法使用，这在一定程度上限制了调制器的应用。

柔性超材料一直是国际上的一个研究热点，在太赫兹滤波器、吸收器和传感器中的应用研究中获得了很大的进展，为军事隐身、保密通信等技术领域做出了巨大的贡献。柔性超材料被用来构建更为复杂的器件或作为曲面器件的粘附层，应用在太赫兹波段极大地拓宽了太赫兹功能器件的应用范围，但是在具体应用中由于采用的是电磁损耗原理，其调制效果差。

发明内容

针对背景技术存在的不足，为解决现有基于柔性基底的太赫兹调制器调制效果不好，尤其是针对曲面上可调性弱，稳定性不高的问题，本发明提供了一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，采用柔性材料作为基底，将二氧化钒填充在金属结构中，制成振幅调制单元结构阵列排布后沉积在柔性基底之上，实现了任意曲率的曲面上的幅度调谐，具有结构简单易制作、调制效果好、稳定性强的特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，包括柔性基底、以及完全沉积在柔性基底之上的单元调制结构层。

所述单元调制结构层作为阵列结构，由m个振幅调制单元结构以复制平移的方式依次排列组成,其中m≥1，排列中各振幅调制单元结构之间留有间距，且间距＞0。

所述振幅调制单元结构作为电磁谐振结构，包括金属结构和二氧化钒；所述金属结构为2根横杆和1根竖杆组成的“工”字型结构,竖杆为中间设开口的偶极谐振杆,该开口将竖杆分成上竖杆和下竖杆，上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有金属枝节；所述二氧化钒填充在开口处，以连通上竖杆和下竖杆。

进一步地，所述m个振幅单元调制结构呈矩阵排布。

进一步地，所述开口的大小和金属枝节的长度、宽度均可调节，作为太赫兹幅度调制器频点调谐部件。

进一步地，所述柔性基底为云母或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

本发明提供的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，作为电磁谐振结构的振幅调制单元结构中，将二氧化钒作为“工”字型结构的组成部分，直接填充在“工”字型金属结构中。根据偶极谐振原理，结合二氧化钒材料的相变特性实现太赫兹波幅度的调制，具体为：在非激光照射下，二氧化钒为介质态，振幅调制单元结构为带开口的“工”字型金属结构，线极化波的极化方向平行于“工”字结构中的偶极谐振杆，垂直入射，无透射输出；在激光照射下，二氧化钒为金属态，偶极谐振杆完全连通，线极化波的极化方向平行于“工”字结构中的偶极谐振杆，线极化波垂直入射，波束平行输出。然后将振幅调制单元结构阵列排布，组成单元调制结构层完全沉积在云母或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等柔性材料制成的基底上，构成太赫兹幅度调制器，基于基底的柔性，实现任意弯曲弧度时调制功能的稳定性，继而实现在任意弯曲表面下太赫兹波束的波前控制。在非激光照射下，太赫兹波被截；在激光照射下，太赫兹波束稳定输出；最终实现任意曲面的幅度动态调控，并保证了曲面动态调控的稳定性。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器不仅结构简单，而且实现了任意曲率的曲面上的幅度调控，调制效果好、稳定性强。整个器件为二维平面结构，通过微细加工工艺即可实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计带来的高难度加工。

附图说明

图1-1为实施例基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器二维结构示意图；

图1-2实施例基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器材料标注图；

图1-3为实施例中振幅调制单元结构二氧化钒和金属结构尺寸图；

图2为实施例振中幅调制单元结构和阵列结构调制效果对比图；

图3-1为实施例调制器曲面弯曲示意图；

图3-2为实施例多个曲面调制效果对比图；

图4为实施例曲度弯曲最大限度调制效果图。

具体实施方式

下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本发明提供的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，是以聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者云母等柔性材料制作成基底，然后将单元调制结构层完全沉积在基底之上。单元调制结构层作为阵列结构，由m个振幅调制单元结构以复制平移的方式依次排列组成，其中m≥1，需要注意的是：排列中各振幅调制单元结构的开口、朝向均相同，且各振幅调制单元结构之间留有间距，最好间距相等。保持各振幅调制单元结构的间距是为了适应实际实验中的光源，并降低各振幅调制单元结构之间因近距离产生耦合导致的工作频点偏移；各振幅单元调制结构之间的间距可调整，用于因耦合对工作频点产生的影响，只是间距的调整需要根据单元调制结构层的工作频点偏移进行。

所述振幅调制单元结构作为电磁谐振结构，包括金属结构和二氧化钒，所述金属结构为2根横杆和1根竖杆组成的“工”字型金属结构；所述竖杆为中间设开口的偶极谐振杆,该开口将竖杆分成上竖杆和下竖杆，所述上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有金属枝节。所述二氧化钒填充在开口处，并完全覆盖住开口，以连通上竖杆和下竖杆。由于开口越大、作为偶极谐振杆的上、下竖杆越短，偶极谐振杆中电子震荡的周期减小，震荡频率增大，因此可以通过调整开口的大小调整振幅调制单元结构的谐振频点，使振幅调制单元结构的谐振频点远离工作频点。

在电磁仿真软件中，仿真振幅调制单元结构的过程如下：

步骤1：先制作一个完整的“工”字型金属结构，该“工”字型金属结构具有2根横杆和1根竖杆，竖杆作为偶极谐振杆具有调节电磁波响应的作用。设置横杆长为L,偶极谐振杆长为H,横杆、竖杆和金属枝节的宽度均为W。随后调整“工”字型金属结构中2根横杆和偶极谐振杆的长度L和H、宽度W，使S₂₁参数的谐振频点在工作频点。在亚波长尺寸范围内，通过参数H、L、w的调整均可获得谐振频点。

步骤2：由于根据步骤1得到的是一个完整的“工”字型结构，将“工”字型结构中作为偶极谐振杆的竖杆中间断出一个开口；该开口将竖杆分成上竖杆和下竖杆，所述上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有金属枝节，金属枝节能够在偶极谐振杆断开时，一定程度使振幅调制单元结构的谐振频点远离连通时振幅调制单元结构的谐振频点。调节开口大小和金属枝节长度、线宽使S₂₁参数的谐振频点远离工作频点；

步骤3：添加二氧化钒材料块在开口处，使其完全覆盖类“工”字型开口。对振幅调制单元结构尺寸进行微调使更改二氧化钒的电导率能达到步骤1和步骤2的S₂₁参数，完成振幅单元调制结构的制作。

实施例

依据上述内容，根据谐振原理，针对0.2THz的频点，选择周期P＝240um,设计了一个二维超表面。如图1-1所示，选用的云母制作成基底，其上沉积单元调制结构层，所述单元调制结构层为数百个振幅调制单元结构矩阵组成的阵列结构，该阵列结构全沉积在基底上。如图1-2为材料结构图，如图1-2所示，振幅调制单元结构厚度为0.3um，沉积在20um厚的云母基底上；振幅调制单元结构的具体结构如图1-3所示，包括金属结构和二氧化钒，所述金属结构是由2根长度为150um的横杆和1根长度为220um的竖杆组成的“工”字型结构，其中竖杆作为偶极谐振杆具有调节电磁波响应的作用。所述竖杆中间设有一个50um的开口，该开口将竖杆分为上竖杆和下竖杆，上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有长度为40um的金属枝节。所述横杆、竖杆和金属枝节的宽度均为4um，可选用为金、铝、铜或银等金属材料，在本实施例中优选用金。

选用70×52um大小，厚0.3um的二氧化钒材料块完全覆盖住开口处，连通偶极谐振杆。由于加工中会有误差，所以本实施例中二氧化钒块覆盖到金属枝节外。利用电磁仿真软件CST仿真，对本实施例提供的基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，采用平行于“工”字偶极谐振杆方向的线极化波进行入射得到结果如图2所示：振幅调制单元结构在非激光照射下，二氧化钒呈现介质态，其透射曲线cell-off(虚线)在频点0.2THz透过率高于-1dB。在激光照射下，其透射曲线cell-on(实线)在频点0.2THz透过率低于-30dB；单元调制结构层在非激光照射下，二氧化钒呈现介质态，其透射曲线array-off(虚线)在频点0.2THz透过率高于-1dB。在激光照射下，其透射曲线array-on(实线)在频点0.2THz透过率低于-30dB。由此可见，所设计的振幅调制单元结构组成的调制器在任意阵列数都可以保证调制功能的稳定。

在CST仿真中，如图3-1所示，阵列结构沿极化方向的对称轴为弯曲中心，进行弧度弯曲。弧度弯曲以o点为圆弧切点，圆弧中心在z轴上，圆弧半径为n*λ。定义n为弯曲参数。针对不同n值进行仿真。如图3-2所示，弯曲阵列结构在非激光照射下，二氧化钒呈现介质态，其透射曲线n＝6-off(虚线)在频点0.2THz透过率高于-1.5dB。在激光照射下，其透射曲线n＝6-on(实线)在频点0.2THz透过率低于-30dB。如图4所示，在n＝3,2时，其调制效率依然稳定。且在n＝1时，曲面的弧度角达到180°，仍可实现调制效果。由此可见，本发明提供的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器弯曲度达到最大弯曲状态时，调制效果依然稳定。

此外，本发明提供的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，作为电磁谐振结构的振幅调制单元结构，在保持单元结构不变的条件下，通过调节振幅调制单元结构尺寸实现工作频点的调整。

上述实施例仅用于说明本发明的原理及效果，而非用于限制本发明。本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，包括柔性基底、以及完全沉积在柔性基底之上的单元调制结构层，其特征在于：

所述单元调制结构层作为阵列结构，由m个振幅调制单元结构以复制平移的方式依次排列组成,其中m≥1，排列中各振幅单元结构之间留有间距，且间距＞0；

所述振幅调制单元结构作为电磁谐振结构，包括金属结构和二氧化钒；所述金属结构为2根横杆和1根竖杆组成的“工”字型结构,竖杆为中间设开口的偶极谐振杆,该开口将竖杆分成上竖杆和下竖杆，上竖杆和下竖杆相互靠近的一端端部均连接有金属枝节；所述二氧化钒填充在开口处，并完全覆盖开口，以连通上竖杆和下竖杆。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，其特征在于：所述m个振幅调制单元结构呈矩阵排布。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，其特征在于：所述开口的大小和金属枝节的长度、宽度均可调节，作为太赫兹幅度调制器频点调谐部件。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，其特征在于：所述柔性基底为云母或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于柔性超材料的太赫兹幅度调制器，其特征在于：所述金属结构采用材料为金、铝、铜或银。

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