CN105652475B - 一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件。通过直波导腔体导入太赫兹波，然后通过探针结构将太赫兹波耦合到本器件的核心部分晶体管结合共面波导(CPW)的结构上，该结构是由三根金属线结合半导体衬底构成的悬置共面波导与共面波导相邻金属传输带之间加入的Metamaterials单元嵌套HEMT复合结构调制单元阵列结构组成。通过控制调制单元的通断改变太赫兹波在CPW中的传输特性，从而实现对太赫兹波的快速幅度和相位调制，最终再通过探针‑波导结构将调制后的THz传输出去。可有效的对太赫兹波进行高效、快速幅度调制。

Description

一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器

技术领域

该发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件，用于太赫兹波调制器、太赫兹波开关、太赫兹移向器。

背景技术

而作为太赫兹通信系统中最为关键的核心技术之一，太赫兹波动态功能器件—太赫兹外部调制器如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。目前国际上均采用准光的方式对太赫兹外部调制器进行研究，但这种方式插损大、单元结构多、调制速率难以提高，因此目前为止，都未能实现对在空间中传播的太赫兹波的快速调制。专利201510894480.5公开了一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波快速调制器，包括：输入直波导、共面波导、输出直波导；所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传播段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入直波导中，输出段设置于输出直波导中；其特征在于共面波导的中央馈线外接一电压输入线，谐振馈线与中央馈线之间设置至少1个晶体管，通过外接电压控制晶体管的通断。这一调制器实现了共面波导微带线上传输的太赫兹波的传输特性进行控制，以此实现对特定频率传播的太赫兹波幅度的高速调控。然而这一调制器使用的调制单元为单个晶体管结合谐振单元结构，调制速率受限制与晶体管本身工作效率。并且该结构为简单的偶极子震荡结构，调制深度较低；本身可设计修改参数较少，而且会因为加工中装配误差等导致谐振位置产生偏移。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加电压信号实现对太赫兹波快速动态调控的调制器，可有效的对太赫兹波进行高效、快速幅度调制。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：通过直波导腔体导入太赫兹波，然后通过探针结构将太赫兹波耦合到本器件的核心部分晶体管结合共面波导(CPW)的结构上，该结构是由三根金属线结合半导体衬底构成的悬置共面波导与共面波导相邻金属传输带之间加入的Metamaterials单元嵌套HEMT复合结构调制单元阵列结构组成。通过控制调制单元的通断改变太赫兹波在CPW中的传输特性，从而实现对太赫兹波的快速幅度和相位调制，最终再通过探针-波导结构将调制后的THz传输出去。

因而本发明一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器，包括：输入直波导、共面波导、输出直波导；所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传播段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入直波导中，输出段设置于输出直波导中；共面波导的中央馈线外接一电压输入线，谐振馈线与中央馈线之间设置至少1个晶体管调制单元，通过外接电压控制晶体管调制单元的通断，其特征在于所述晶体管调制单元包括：带开口的谐振环、掺杂异质结构、栅极馈线，短馈线；其中带开口的谐振环通过短馈线与谐振馈线相连；掺杂异质结构设置于谐振环的开口处，连接开口两端；栅极馈线一端设置于掺杂异质结构上且不与谐振环挨接，另一端连接中央馈线。

进一步的，所述共面波导的中央馈线的两侧各设置3个晶体管调制单元。

进一步的，所述共面波导基板材料为AsGa、AlGaN、SiC或GaN。

进一步的，所述掺杂异质结构的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP。

本发明的有益效果是，(1)、共面波导结合Metamaterials嵌套HEMT的复合阵列可有效降低太赫兹波的损耗，实现太赫兹波在高速调制的同时插损低。(2)本发明所设计的谐振结构与普通的开口环谐振器不同，是在SRR开口处进行HEMT晶体管的嵌套的单元结构，由此可高效的对Metamaterials结构单元中的谐振模式进行切换，可实现器件谐振频率的动态控制和谐振强度的动态控制，从而高效的对传输的太赫兹波进行调制，可实现宽频、高调制深度的调制，这对太赫兹波段宽频带调制技术的发展具有重要价值。(3)调制单元结构在共面波导中可只放置少数几个甚至是1个就可实现对太赫兹波的调制，结构的寄生电容极小，因此其电路时间常数(RC常数)极小，根据单个HEMT器件的响应速率估算该调制速率可达到10GHz以上，调制速率大幅提升。(4)器件中Metamaterials单元结构与HEMT嵌套可实现偶极振荡和等效LC电路谐振模式的耦合和转换，能增强太赫兹波电磁谐振强度，从而可以大幅提升该调制器件的调制效率(调制深度)，可实现大于95％的调制深度。(5)、对于太赫兹波段的功能器件，立体结构的设计方案通过普通机械加工手段难以实现，而本发明中利用的是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作。(6)、本发明通过电控来进行工作而不需要外加光照、温度等激励，并且馈电方式可直接采用同轴SM接口进行馈电。这对于该器件小型化、实用化与产量化具有很大的优势。(7)、通过改变Metamaterials的结构参数(长、宽、开口位置等)，可对不同大小的太赫兹波束进行控制，设计灵活、方便定制。(8)、本发明针对波导传播太赫兹电磁波，可工作于常温、常压、非真空条件下，易于封装、方便使用。

附图说明

图1为CPW调制器的整体结构俯瞰平面示意图；

图2为CPW调制器谐振单元结构三维示意图；

图3为外加正方向电压(连通)状态下的电场分布图；

图4为外加负方向电压(断开)状态下的电场分布图；

图5为CPW调制器在不同状态下的S21参数对比。

图中：1.输入波导，2.输入探针，3.共面波导，3.1中央馈线，3.2谐振馈线，4.输出探针，5.输出波导，6.外部馈电结构，7.晶体管调制单元，7.1栅极馈线，7.2掺杂异质结构，7.3短馈线，7.4带开口的谐振环。

具体实施方式

本发明提出了一种Metamaterials单元嵌套HEMT复合结构调制单元阵列结构相结合所形成的一种波导-共面波导-波导结构来实现对空间中传播的太赫兹波进行动态调制的设计方案，并通过仿真计算与实验验证说明了这是一种结构简单、易于加工，且具有较高调制深度太赫兹快速调制器件。

本发明包括：输入波导(1)、输入探针(2)、共面波导调制部分(3)、输出探针(4)、输出波导(5)、外部馈电结构(6)。

所述共面波导调制部分由共面波导和人工电磁媒质与高电子迁移率晶体管(HEMT)嵌套的调制单元阵列结构组成，用于对耦合到共面波导的电磁波进行调制。所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传输段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入直波导中，输出段设置于输出直波导中；共面波导的中央馈线外接。所述人工电磁媒质与高电子迁移率晶体管(HEMT)嵌套的调制单元阵列结构包括由连接共面波导横向金属线条和一根纵向金属短线条，以及金属开口谐振环(SRR环)结构组成，其中SRR环开口处使用HEMT连接。通过外接到、中央馈电线的栅极结构控制HEMT的通断。

所述调制单元结构中嵌套的HEMT由源极、漏极、栅极和调制掺杂异质材料组成，其中源极和漏极与人工电磁煤质SRR环的开口处的金属条相连接，栅极置于SRR开口处的中心位置并与共面波导的中央馈线连接。

所述谐振馈线与中央馈线之间设置多个调制单元结构，其中可以为一半位于中央馈线的同一侧，其余一半位于中央馈线的另一侧，也可为单元结构同侧放置。单元结构数不少于1个。

所述共面波导基板为AsGa或AlGaN或SiC或者GaN。HEMT中外延层的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP。

该调制器是通过HEMT的通断对空间传播的太赫兹波实现动态幅度调制。具体为：从图3中可以看到。当外加电控使得晶体管连通的时候，SRR环中开口处位于连接状态，在此情况下SRR环结构由于开口的导通无法针对在指定工作频率附近进行谐振，因此太赫兹波可以良好的通过悬置共面波导金属线以互相耦合的方式快速传输。如图4所示，当外加电控使晶体管断开，连接悬置共面波导两侧金属条与中间金属条的中间SRR环谐振单元结构也处于断开状态，该情况下谐振单元内部上下对称的金属线条结构相互独立工作，形成LC振荡模式。这时传播的太赫兹波电磁能量主要集中在SRR环的开口处，无法再进行沿着金属线条的传输。因此通过外加电压信号可快速控制晶体管结构的通断以此实现对该谐振结构中电场强度快速调制，从而实现电控的方式对太赫兹波进行快速的调制。如图5所示，在电控晶体管通时传播系数以及断开时的传播系数，有超过60dB的幅度调控，表明该调制器可以高效的对太赫兹波进行调制。本示意图为工作频率0.36THz的调控。

在metamaterials结构中选取SRR环结构可以更加便利的调整结构参数(长宽开口位置等)，使得谐振频率更加容易调整。此外SRR环具有的电磁效应也比单纯的金属电极形成的谐振更加强烈，从而获得更好的幅度调制效果和调制深度。

上述太赫兹波快速调制器经三维电磁模拟软件仿真证明了其可行性，图3、图4为电磁仿真在控制晶体管通、断情况下太赫兹波的透射率谱图和谐振模式结果图。结果表明，外加电压控制晶体管通断，使得太赫兹波在该器件中传输过程中的电场分布发生改变，从而使得太赫兹波通过该器件后的场强发生大幅改变由此导致太赫兹波的通过率从通过变为了截断或由截断变成了通过，以此对太赫兹波的幅度进行调制。

当控制HEMT导通的状态，此时从图3可以看到，场可以从结构中以互相耦合的方式快速传输，此时太赫兹波也处于导通状态。图4中为仿真晶体管断开时状态，此时可以看到连接悬置共面波导两侧金属条与中间金属条的中间SRR环谐振单元结构开口处也处于断路状态，此时可以看到形成了上下部分各自独立的LC振荡的模式，场主要集中在SRR环开口的中心位置，由传输系数图可以看到太赫兹波无法通过该器件。该结果证明该调制器可以对太赫兹波进行高效的调制，加之HEMT具有极快的通断速率，因此该器件可对太赫兹波进行快速调制。因此所述的基于共面波导结合人工电磁媒质的太赫兹波快速调制器是一种工作于THz频段的电控高效、高速调制器件。这为将来THz功能器件的设计与制作提供了很好的思路与方向。

Claims (4)

1.一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器，包括：输入波导、共面波导、输出波导；所述共面波导包括基板及位于基板上的馈线，馈线包括输入段、传播段、输出段；所述传播段包括：中央馈线、位于中央馈线两侧的谐振馈线；将馈线的输入段设置于输入波导中，输出段设置于输出波导中；共面波导的中央馈线外接一电压输入线，谐振馈线与中央馈线之间设置至少1个晶体管调制单元，通过外接电压控制晶体管调制单元的通断，其特征在于所述晶体管调制单元包括：带开口的谐振环、掺杂异质结构、栅极馈线，短馈线；其中带开口的谐振环通过短馈线与谐振馈线相连；掺杂异质结构设置于谐振环的开口处，连接开口两端；栅极馈线一端设置于掺杂异质结构上且不与谐振环挨接，另一端连接中央馈线。

2.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器，其特征在于所述共面波导的中央馈线的两侧各设置3个晶体管调制单元。

3.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器，其特征在于所述共面波导基板材料为AsGa、AlGaN、SiC或GaN。

4.如权利要求1所述的一种基于共面波导结合晶体管的太赫兹波调制器，其特征在于所述掺杂异质结构的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP。