CN104124531A - 一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件 - Google Patents

一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件。该器件包括基板和位于基板上的能产生电磁感应透明现象的金属单元阵列；所述金属单元阵列包括多个阵列分布的金属单元，所述金属单元包括第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构包括第一金属图形，所述第二金属微结构包括第二金属图形，所述第一金属微结构和/或所述第二金属微结构还包括半导体元件。本发明能有效解决现有技术中不能简单快速地对电磁感应透明超材料的工作频率进行调控的问题，能获得较高的调制深度和开关速度。该器件能广泛应用于慢光调制、光开关、传感器、无线通信等技术领域。

Description

一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件
技术领域
本发明属于电磁功能材料技术领域，更具体地，涉及一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件。
背景技术
电磁感应透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)现象是在光与原子相互作用系统中由量子干涉产生的，通过外加电磁场与介质的相互作用，使得介质对某种光的吸收系数发生改变，对入射光吸收减少甚至不再被吸收，从而使其透射率增加。这种现象导致在EIT处的色散发生剧烈变化，从而使得EIT现象在慢光、传感器、光开关等领域具有潜在的应用价值。但在实际过程中，EIT的产生需要非常复杂的装置，且条件严苛，使其在实际应用中受到了很大的限制。
超材料(Metamaterials,MMs)是指一类人工制造的复合结构，具有天然材料所不具备的电磁特性。其特性由其单元器件的结构而非其材料本身的性质决定，通过有目的的设置单元器件结构，MMs的电磁响应可以被有效地控制。2009年Xiang Zhang及其课题组成员通过设计MMs单元的结构模拟EIT现象，提出电磁感应透明超材料(EIT-MMs)，使得在通常环境下实现EIT现象成为可能。
随后，各种结构类型、不同工作波段的EIT-MMs相继出现。然而，现有的EIT-MMs一旦设计制作完成就只能工作在某一频率，不能对其进行调控。可调控的器件多采用改变器件位置(以入射电磁波为轴旋转)或改变器件与入射电磁波夹角的方式进行被动的调控，这些方法虽简单易行，但具有调制速度慢的缺点。为了提高器件的调制速度，功能材料(如光导材料、超导材料和相变材料)被引入到器件中，通过外场激励(如光和温度)改变功能材料的性质，从而对EIT-MMs进行主动调控，但这些调控方法需要额外的高能量泵浦光源或热源对功能材料进行激发，增加了器件的复杂性且不具备高速调制的能力(调制速度约为10-3s)。这些都极大地限制了可调控EIT-MMs的发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可调控的空间电磁感应透明超材料器件，能有效解决现有技术中不能简单快速地对EIT-MMs的工作频率进行调控的问题，能获得较高的调制深度(80％以上)和开关速度(10-9s)。该器件能广泛应用于慢光调制、光开关、传感器、无线通信等技术领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种电磁感应透明超材料器件，其特征在于，包括基板和位于基板上的能产生电磁感应透明现象的金属单元阵列；所述金属单元阵列包括多个阵列分布的金属单元，所述金属单元包括第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构包括第一金属图形，所述第二金属微结构包括第二金属图形，所述第一金属微结构和/或所述第二金属微结构还包括半导体元件；工作时，通过调整加载在所述半导体元件两端的电压，控制所述半导体元件的工作状态，从而改变所述第一金属微结构和所述第二金属微结构之间的耦合效率，对所述金属单元阵列的电磁感应透明现象进行调控。
优选地，所述半导体元件为可变电容、可变电阻或可变开关二极管。
优选地，所述第一金属微结构和所述第二金属微结构均能被入射电场激发产生谐振，两谐振之间发生相消干涉，在两谐振的谐振频率之间产生电磁感应透明现象。
优选地，所述第二金属微结构能被入射电场激发产生谐振，所述第一金属微结构不能被入射电场激发产生谐振，所述第一金属微结构被所述第二金属微结构谐振产生的感应场激发产生谐振，两谐振之间发生相消干涉，在所述第二金属微结构发生谐振吸收的频率位置形成透射窗口，产生电磁感应透明现象。
优选地，所述第一金属微结构包括两条平行金属线，每条平行金属线由三条金属线段构成，每条平行金属线中相邻的两条金属线段通过PIN二极管连接，每条平行金属线中所有PIN二极管的方向相同；所述第二金属微结构包括两条与所述平行金属线垂直的I型金属线段，I型金属线段位于所述两条平行金属线中间的金属线段之间；所述两条平行金属线的长度与所述金属单元在所述平行金属线方向的周期相等。
优选地，所述第一金属图形和所述第二金属图形的厚度为0.2μm～35μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用可产生EIT现象的金属单元阵列，通过对器件外加偏置电压，控制集成在金属单元内的半导体元件的工作状态，改变金属单元内不同结构之间的耦合效率，从而对电磁感应透明现象进行调控，调控过程可逆，器件结构简单，易于实现批量生产。在获得较高调制深度的同时，开关速度可达10-9s，较现有技术提升约6个数量级。
附图说明
图1是本发明实施例的电磁感应透明超材料器件的结构示意图；
图2是金属单元阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例的金属单元的结构示意图；
图4是本发明实施例的电磁感应透明超材料器件在不同偏置电压下透射系数与频率的关系图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-基板，2-金属单元阵列，3-电磁波，4-金属单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，本发明实施例的电磁感应透明超材料器件包括基板1和位于基板1上的能产生电磁感应透明现象的金属单元阵列2。金属单元阵列2包括多个阵列分布的金属单元4，金属单元4包括第一金属微结构和第二金属微结构，第一金属微结构包括第一金属图形，第二金属微结构包括第二金属图形，第一金属微结构和/或第二金属微结构还包括半导体元件。电磁波3垂直于金属单元阵列2的表面入射，Vi为外加偏置电压，通过改变Vi的值调整加载在半导体元件两端的电压，控制半导体元件的工作状态。
电磁感应透明超材料器件中的电磁感应透明现象主要通过以下两种方式产生：(1)第一金属微结构和第二金属微结构均能被入射电场激发产生谐振，当第一金属微结构与第二金属微结构的谐振频率十分接近时，第一金属微结构和第二金属微结构产生的谐振之间发生相消干涉，在两个谐振频率之间产生电磁感应透明现象。(2)第二金属微结构能被入射电场激发产生谐振，这种谐振被称为“明模式(bright mode)”，第一金属微结构不能被入射电场激发产生谐振，被称为“暗元(dark element)”，通过合理设计第一金属微结构和第二金属微结构的结构参数，使第一金属微结构与明模式产生的感应场之间发生感应耦合，使第一金属微结构被感应场激发产生谐振，这种谐振被称为“暗模式(dark mode)”。此时明模式与暗模式之间发生相消干涉，在第二金属微结构发生谐振吸收的频率位置形成窄带透射窗口，产生电磁感应透明现象。
根据电磁感应透明超材料器件的工作频段不同，基板1的材料选用聚四氟乙烯、环氧树脂、硅衬底、蓝宝石衬底等，基板1的厚度在0.2mm～3.2mm范围内变化，金属图形采用导电性良好、性质稳定的金属，如金、铜、合金等制成，金属图形的厚度在0.2μm～35μm范围内变化，半导体元件为可变电容、可变电阻、可变开关二极管等。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的电磁感应透明超材料器件进行详细说明。
电磁感应透明超材料器件工作在微波波段，基板采用FR-4环氧树脂板，厚度为1.6mm，采用标准PCB加工工艺在基板上制作12×6元金属单元阵列，金属图形采用35μm厚的Cu，半导体元件采用PIN二极管(阈值电压约为0.7V，开关响应速度约为10-9s)。
如图3所示，第一金属微结构包括两条平行金属线，每条平行金属线由三条金属线段构成，每条平行金属线中相邻的两条金属线段通过PIN二极管连接，每条平行金属线中所有PIN二极管的方向相同。第二金属微结构包括两条与平行金属线垂直的I型金属线段，I型金属线段位于两条平行金属线中间的金属线段之间。两条平行金属线的长度即金属单元在平行金属线方向的周期Px＝30mm，金属单元在I型金属线段方向的周期Py＝15mm，I型金属线段的长度l1＝10mm，上下两端宽度c＝3mm，两条I型金属线段的间距d1＝10.5mm，平行金属线中间的金属线段的长度l2＝11mm，两条平行金属线的间距d2＝11mm，每条平行金属线中相邻的两条金属线段的间距g＝1mm，所有金属图形的线宽为0.5mm。为了防止PIN二极管在工作频段对入射电磁波产生电磁响应而影响透射电磁波，PIN二极管采用SOD323贴片式封装。
本实施例采用上述第(2)种方式产生电磁感应透明现象。电磁波垂直于金属单元阵列的表面入射，电场方向平行于I型金属线段，磁场方向平行于平行金属线。金属单元组成阵列后，同排金属单元中的两条平行金属线上的PIN二极管串联，在这些串联结构的两端外加偏置电压，通过改变偏置电压控制PIN二极管的导通(ON)和截止(OFF)，从而改变明暗模式间的耦合效率，实现透射窗口的开关。当二极管处于ON状态时，平行金属线的金属线段连通，当二极管处于OFF状态时，平行金属线的金属线段截断。
对本实施例的电磁感应透明超材料器件的实测及仿真结果如图4所示。当外加偏置电压为0.0V时，PIN二极管全部处于OFF状态，第二金属微结构被直接激发产生明模式，第一金属微结构不能被明模式产生的横向感应电场激发，使得第一金属微结构与明模式产生的感应场之间无近场感应耦合，不能产生电磁感应透明现象，仅在第二金属微结构的谐振频率6.28GHz处产生峰谷。测试结果与数值仿真结果基本吻合。
当外加偏置电压为11.5V时，PIN二极管全部导通(ON)，第二金属微结构产生的明模式激发起的横向感应电场激发第一金属微结构产生谐振，第一金属微结构与第二金属微结构同时谐振使得原第二金属微结构的谐振频率产生分裂，分裂后的谐振频率出现在5.75GHz和6.65GHz。在透射窗口处，第一金属微结构与第二金属微结构产生的谐振发生相消干涉，耦合到第二金属微结构的入射电场能量从第二金属微结构转移到第一金属微结构，导致第二金属微结构产生的谐振被抑制，第一金属微结构产生的谐振增强，因此在两吸收峰之间出现一个峰值频率为6.13GHz，3dB带宽为0.38GHz，透射系数82％的透射窗口，即产生电磁感应透明现象。测试结果与数值仿真结果基本吻合。
根据电磁感应透明超材料器件在PIN二极管处于ON/OFF状态下在EIT透射峰对应的频率处的透射系数，计算得到本实施例数值仿真的调制深度达到96％，由于测量误差与噪声影响，实际测试的调制深度达到82％，其中，调制深度tmin和tmax分别为设定频率处的透射系数的最小值和最大值。由此可见，本实施例的电磁感应透明超材料器件在EIT透射窗口实现了高调制深度的开关调制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电磁感应透明超材料器件，其特征在于，包括基板和位于基板上的能产生电磁感应透明现象的金属单元阵列；所述金属单元阵列包括多个阵列分布的金属单元，所述金属单元包括第一金属微结构和第二金属微结构，所述第一金属微结构包括第一金属图形，所述第二金属微结构包括第二金属图形，所述第一金属微结构和/或所述第二金属微结构还包括半导体元件；
工作时，通过调整加载在所述半导体元件两端的电压，控制所述半导体元件的工作状态，从而改变所述第一金属微结构和所述第二金属微结构之间的耦合效率，对所述金属单元阵列的电磁感应透明现象进行调控。
2.如权利要求1所述的电磁感应透明超材料器件，其特征在于，所述半导体元件为可变电容、可变电阻或可变开关二极管。
3.如权利要求1或2所述的电磁感应透明超材料器件，其特征在于，所述第一金属微结构和所述第二金属微结构均能被入射电场激发产生谐振，两谐振之间发生相消干涉，在两谐振的谐振频率之间产生电磁感应透明现象。
4.如权利要求1或2所述的电磁感应透明超材料器件，其特征在于，所述第二金属微结构能被入射电场激发产生谐振，所述第一金属微结构不能被入射电场激发产生谐振，所述第一金属微结构被所述第二金属微结构谐振产生的感应场激发产生谐振，两谐振之间发生相消干涉，在所述第二金属微结构发生谐振吸收的频率位置形成透射窗口，产生电磁感应透明现象。
5.如权利要求4所述的电磁感应透明超材料器件，其特征在于，所述第一金属微结构包括两条平行金属线，每条平行金属线由三条金属线段构成，每条平行金属线中相邻的两条金属线段通过PIN二极管连接，每条平行金属线中所有PIN二极管的方向相同；所述第二金属微结构包括两条与所述平行金属线垂直的I型金属线段，I型金属线段位于所述两条平行金属线中间的金属线段之间；所述两条平行金属线的长度与所述金属单元在所述平行金属线方向的周期相等。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电磁感应透明超材料器件，其特征在于，所述第一金属图形和所述第二金属图形的厚度为0.2μm～35μm。
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