CN104678598B - 太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法 - Google Patents

太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法。该太赫兹调制器包括：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。本发明实施的太赫兹调制器可以实现光控高速宽带太赫兹强度调制。

Description

太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法
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。
结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，泵浦激光源5用于根据泵浦光辐照强度的大小对宽带太赫兹源4的太赫兹波进行调制。
第二方面，提供了上述太赫兹调制器的制备方法，包括：
在二氧化硅基底3上采用光刻的方法得到铜谐振环阵列1；
在二氧化硅基底3的后表面镀二氧化钒薄膜2。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，在二氧化硅基底3的后表面镀二氧化钒薄膜2，包括：
采用磁控溅射方法在二氧化硅基底3的后表面镀一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜2。
第三方面，提供了上述太赫兹调制器的调谐方法，包括：
将泵浦激光源5的泵浦光辐照强度调节为零，使二氧化钒薄膜2为介质相，以使宽带太赫兹源4的谐振频率的太赫兹波透过超材料；
增大泵浦激光源5的泵浦光辐照强度，使二氧化钒薄膜2转化为金属相，以使宽带太赫兹源4的太赫兹波不能透过超材料，实现对宽带太赫兹源4的太赫兹波从导光到损耗的强度调制。
本发明的优点是：该太赫兹调制器调制带宽大，超过200GHz；调制深度超过70％；响应时间短，调制时间达ps量级；结构和调制方法简单，便于小型化和集成化，满足太赫兹通信系统的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的太赫兹调制器的示意图。
图2是本发明实施例的铜谐振环阵列的示意图。
图3是本发明实施例的铜谐振环的示意图。
图4是本发明实施例的超材料的透射谱。
图5是本发明实施例的超材料的吸收谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基底中而构成。这种人工结构复合材料具有超常的物理性质或电磁响应，而其性质主要决定于人造金属微结构的图案形状和排列方式。
本发明在二氧化硅基底后表面镀上一层二氧化钒薄膜，前表面为铜的谐振环结构，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现为超材料的谐振透射特性；而当有激光辐照基底后表面时，二氧化钒薄膜发生相变，器件表现为基于超材料吸波体的特性。吸波体的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉，由于同一结构的超材料因为二氧化钒的介质相到金属相的转变使得超材料由非吸波体转变为吸波材料，因此可以实现太赫兹的强度调制。本发明利用二氧化钒的电介质-金属相变性质实现了一种全新的光控高速太赫兹调制器件。
图1是本发明一个实施例的太赫兹调制器的示意图。
如图1所示，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。
在二氧化硅基底3上采用光刻的工艺方法得到铜谐振环阵列1。可选地，二氧化硅基底3的厚度为50μm，铜谐振环在垂直于二氧化硅基底3的方向上的高度为200nm。在二氧化硅基底3的后表面镀二氧化钒薄膜2。可选地，二氧化钒薄膜2的厚度200nm。具体的工艺方法为：采用磁控溅射方法在二氧化硅基底3的后表面镀一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜2。二氧化钒薄膜在介质相时的电导率不小于0.1(Ω·cm)-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)-1。使用的太赫兹源为宽带太赫兹源4，由太赫兹光电导天线产生，辐射频率0.1～3THz。用于光控调制的泵浦激光源5为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，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。根据泵浦激光源5的泵浦光辐照强度的大小可对宽带太赫兹源4的太赫兹波进行调制。
该太赫兹调制器的调谐方法可以包括：
将泵浦激光源5的泵浦光辐照强度调节为零，使二氧化钒薄膜2为介质相，以使宽带太赫兹源4的谐振频率的太赫兹波透过超材料；
增大泵浦激光源5的泵浦光辐照强度，使二氧化钒薄膜2转化为金属相，以使宽带太赫兹源4的太赫兹波不能透过超材料，实现对宽带太赫兹源4的太赫兹波从导光到损耗的强度调制。
具体而言，由超短脉冲激光发出的飞秒或皮秒侧向辐照到镀二氧化钒薄膜的超材料太赫兹调制器表面，通过不同辐照强度对该太赫兹调制器进行强度调制。在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现出特定频率超材料的谐振透射性质，谐振频率的太赫兹波可以透过超材料，其透过率大于90％。随着泵浦光强的增大，其透过率下降，泵浦光强继续增强，二氧化钒薄膜开始转化为金属相，泵浦光强至15mJ/cm2量级时，超材料表现为吸波体的特性，谐振频率的太赫兹波被吸收，太赫兹波几乎不能透过超材料，这一过程实现对太赫兹波从导光到损耗的强度调制。
本发明的工作过程由工作在0.89THz附近的镀二氧化钒薄膜的超材料调制器实例说明：
图2是本发明实施例的铜谐振环阵列的示意图。图3是本发明实施例的铜谐振环的示意图。
如图3所示，在50μm厚的二氧化硅基底上利用光刻的方法得到双环结构的铜谐振环，高度为200nm，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。采用磁控溅射方法在加工好的二氧化硅基底的后表面一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜。二氧化钒薄膜在介质相时的电导率小于0.1(Ω·cm)-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)-1，厚度为200nm。
中心波长800nm掺钛蓝宝石锁模激光器作为泵浦激光源，脉宽100fs，泵浦光辐照到光子晶体上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm2。使用的太赫兹源为宽带太赫兹源，由同样的飞秒激光泵浦太赫兹光电导天线产生，辐射频率0.1～3THz。
由掺钛蓝宝石锁模激光器发出的飞秒脉冲辐照到镀二氧化钒薄膜的超材料太赫兹调制器表面，通过不同辐照强度对该太赫兹调制器进行强度调制。在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，其电导率为0.1(Ω·cm)-1，器件表现出超材料谐振透射的特性，如图4所示，峰值频率为0.919THz，透过率为83％，透射半高范围为0.776-1.045THz。随着泵浦光强的增大，其透过率下降，峰值频率减小，泵浦光强至0.5W时，二氧化钒薄膜电导率增加到50(Ω·cm)-1，太赫兹波透射峰值波长减小0.905THz，透射率下降到71％，半高范围为0.784-1.034THz，泵浦光强继续增强，二氧化钒薄膜开始转化为金属相，超材料变为吸波体，当泵浦激光功率增加到1.5W时，透射峰值频率为0.88THz，透射率下降到23％，当功率增大到1.8W时，透射率下降到8％。在泵浦光功率增大的过程中，此在0.919THz频率的波强度调制深度大于75％。而随着二氧化钒薄膜的相变，超材料的特性发生了本质变化，如图5所示，当没有激光泵浦时，二氧化钒为介质相，此超材料没有表现出吸波特性，而当激光泵浦二氧化钒由介质相变化到金属相后，此超材料表现出强烈的吸波特性，在0.88THz的吸收系数大于90％。二氧化钒在飞秒激光泵浦下电介质-金属相变响应时间小于1ps，因此器件的调制速率在ps量级。
因此，该镀二氧化钒薄膜的超材料太赫兹调制器可以实现宽频率的强度调制，调制带宽大，大于0.25THz，调制深度大，大于70％，调制速率高，可达ps量级，解决了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，满足高速宽带太赫兹通信的要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种太赫兹调制器，其特征在于，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，所述铜谐振环阵列(1)和所述二氧化硅基底(3)形成超材料，所述二氧化钒薄膜(2)镀在所述二氧化硅基底(3)的后表面。
2.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述铜谐振环阵列(1)中的铜谐振环在垂直于所述二氧化硅基底(3)的方向上的高度为200nm。
3.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述铜谐振环阵列(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。
4.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述二氧化钒薄膜(2)的厚度为200nm，在介质相时的电导率不大于0.1(Ω·cm)-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)-1。
5.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述泵浦激光源(5)为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，所述泵浦激光源(5)的泵浦光辐照到所述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。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述泵浦激光源(5)用于根据泵浦光辐照强度的大小对所述宽带太赫兹源(4)的太赫兹波进行调制。
7.一种根据权利要求1所述的太赫兹调制器的制备方法，其特征在于，包括：
在二氧化硅基底(3)上采用光刻的方法得到铜谐振环阵列(1)；
在所述二氧化硅基底(3)的后表面镀二氧化钒薄膜(2)。
8.根据权利7所述的方法，其特征在于，所述在二氧化硅基底(3)的后表面镀二氧化钒薄膜(2)，包括：
采用磁控溅射方法在所述二氧化硅基底(3)的后表面镀一层金属钒，再使用氧化法使所述金属钒转化为所述二氧化钒薄膜(2)。
9.一种根据权利1所述的太赫兹调制器的调谐方法，其特征在于，包括：
将泵浦激光源(5)的泵浦光辐照强度调节为零，使二氧化钒薄膜(2)为介质相，以使宽带太赫兹源(4)的谐振频率的太赫兹波透过超材料；
增大所述泵浦激光源(5)的泵浦光辐照强度，使所述二氧化钒薄膜(2)转化为金属相，以使所述宽带太赫兹源(4)的太赫兹波不能透过所述超材料，实现对所述宽带太赫兹源(4)的太赫兹波从导光到损耗的强度调制。
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