CN105896095A - 一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面及调控方法 - Google Patents

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    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/0066—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices being reconfigurable, tunable or controllable, e.g. using switches

Abstract

本发明公开了一种光控可编程太赫兹1‑比特人工电磁表面，由人工设计的金属结构、半导体功能层、介质衬底和金属背板构成，其中金属结构为U型金属开口环结构，半导体功能层为硅薄膜。该结构基于新型人工电磁材料，可以通过泵浦光的明暗分布控制功能单元的反射相位分布，进而操控反射电磁波的空间分布。这是一种可重构、可编程的人工电磁表面，且具有尺寸小、重量轻等优点，因此在太赫兹功能器件方面具有很好的应用前景。

Description

一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面及调控方法
技术领域
本发明涉及一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面的工作原理、设计方法与应用，属于新型人工电磁材料领域。
背景技术
新型人工电磁材料(超材料)因其新奇的物理性质而成为电磁学、物理学和材料科学等领域的研究热点。近年来，一种二维的人工电磁材料，即人工电磁表面(超表面)引起研究人员越来越多的关注。相比于三维的超材料结构，超表面具有体积小、重量轻、成本低、便于加工与应用等优势，因此可以设计成随机表面、频率选择表面、定向辐射天线等各种功能电磁器件，从而实现对电磁波的任意调控。
传统的人工电磁材料，通常可采用等效媒质理论来描述其电磁参数，而对于这种二维的人工电磁表面，其单元可以进行独立的设计，从而实现每个单元独立调控电磁波的振幅和相位，由此可以获得更加复杂的场分布结果。基于这种相位或振幅的不连续性，可以设计编码超材料。例如两种单元的反射相位相差180°，而振幅相近，则可以得到“0”和“1”两种编码；若有四种不同单元的相位依次相差90°，则可以得到“00”、“01”、“10”和“11”四种编码。根据所需功能将不同编码的单元组成阵列，则可以得到降低雷达散射截面、抑制反射主瓣等效果。
一般而言，有两种思路可以获得不同编码的单元，第一种比较直观，即采用不同结构的单元，这种方式相对较易简单，但是结构一旦固定，其功能也确定。第二种则是单元结构相同，通过引入光、电场或热场等外加激励使其在不同状态下表现出不同的反射性质，因此其功能是可调的，是一种可编程的超表面。在微波频段，可以在单元结构中串并联二极管，通过改变二极管的通断改变单元的反射性质，实现“0”和“1”编码，其整体的功能可以通过编写程序进行调节。在太赫兹频率，单元几何尺寸减小至几十微米，很多调节机制都很难实现，本发明提出的方式，即在金属单元结构中引入半导体材料，采用光激励的方法控制半导体的电导率，进而改变单元的谐振特性和反射特性以实现“0”、“1”编码，具有很大的创新性以及可行性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，这种超表面结构由人工设计的金属结构、半导体功能层、介质衬底和金属背板构成，可以在光激励与非(或弱)激励两种状态下得多不同的反射性质，具体表现为反射振幅接近、且反射相位相差180°，从而可以获得“0”和“1”两种编码的单元结构，进而通过单元的排列实现对电磁波的操控。这种光控可编程太赫兹人工表面具有尺寸小、重量轻、功能可调等优点，因此具有很好的应用前景。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，包括依次设置的金属结构、介质衬底和金属背板；所述金属结构为U型开口谐振环结构，在该谐振环结构的开口处嵌入半导体功能层，所述半导体功能层包括半导体薄膜，该半导体薄膜所用材料为硅外延薄膜；硅外延薄膜的电导率通过激光泵浦进行调控。
优选的：所述硅外延薄膜通过激光泵浦进行调控激励时，本征硅电导率很低，近似为介质，当强光泵浦产生大量光生载流子后，电导率显著增加，呈现导电性。
优选的：所述介质衬底的太赫兹介电常数为2.5-3.5，损耗角正切为0.002-0.004。
优选的：所述介质衬底的太赫兹介电常数为3.0，损耗角正切为0.003。
优选的：所述金属结构的工作频率为太赫兹区。
优选的：所述介质衬底为聚酰亚胺薄膜；所述金属背板所用材料为铜。
优选的：所述开口谐振环结构通过显微光刻方法获得。
优选的：所述介质衬底的厚度为20-50微米，金属背板的厚度为200-1000纳米，所述开口谐振环结构的厚度为200-1000纳米。
一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面的调控方法，在太赫兹波垂直于谐振环平面、电场分量平行于其开口的入射条件下，若没有光激励，本征硅外延薄膜的电导率量远低于金属铜的电导率量，将此时的硅外延薄膜视作介质材料，得到此时单元结构的谐振频率一ω1，反射参数一为S11(1)；在泵浦光的激励下，光生载流子使得硅外延薄膜的电导率增加，得到此时的谐振频率二ω2，反射参数二为S11(2)；选择工作频段使得在两种状态下，单元结构的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码，将未激励和激励状态分别标记为“0”和“1”；将不同的编码单元排成特定的序列，获得一定功能的人工电磁表面；通过对空间光调制器进行编程，使得泵浦光通过光调制器后，分别为暗区和明区；通过对暗区和明区的解调，得到对电磁波的调控信息。
有益效果：本发明提供的一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明报道一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，相比于现有的编码超表面，具有光控可编程、可重构的特点。
2.本发明以柔性的聚酰亚胺薄膜为介质衬底，在其上面制备了超薄的金属结构，因此相比于传统的超材料器件具有超薄、体积小、重量轻等优点。
3.本发明通过引入半导体功能层将可编程超表面的工作频率拓展到太赫兹频率区，因此可以很大地拓展人们对太赫兹电磁波的调控能力。
附图说明
图1单元结构示意图。单元在x与y方向整体尺寸均为p，金属开口谐振环的宽度和高度分别为w和h，金属线宽度为u，开口宽度为g，硅薄膜的宽度和高度分别为g和d。
图2编码为“0110”的2×2阵列及对应的泵浦光分布图，灰色和白色分别表示未激发和激发。
图3是硅薄膜电导率分别为100(0态)和1×104S/m(1态)时的反射系数S11振幅谱。
图4是硅薄膜电导率分别为100(0态)和1×104S/m(1态)时的反射系数S11相位谱。
图5为四波束编码超表面的单元排布示意图。
图6为四波束编码超表面的三维远场散射方向图，工作频率为0.645THz。
图7为二波束编码超表面的单元排布示意图。
图8为二波束编码超表面的三维远场散射方向图，工作频率为0.645THz。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，包括依次设置的金属结构、介质衬底和金属背板；所述金属结构为U型开口谐振环结构，其工作频率为太赫兹区，开口谐振环结构通过显微光刻方法获得。所用材料为铜、厚度为200-1000纳米。在该谐振环结构的开口处嵌入半导体功能层，所述半导体功能层包括半导体薄膜，该半导体薄膜所用材料为硅外延薄膜；硅外延薄膜的电导率通过激光泵浦进行调控。通过光刻方法制备特殊图案。
所述硅外延薄膜通过激光泵浦进行调控激励时，本征硅电导率很低，近似为介质，当强光泵浦产生大量光生载流子后，电导率显著增加，呈现导电性。
所述介质衬底为聚酰亚胺薄膜；所述介质衬底的厚度为20-50微米，所述介质衬底的太赫兹介电常数为2.5-3.5，损耗角正切为0.002-0.004。优选的，所述介质衬底的太赫兹介电常数为3.0，损耗角正切为0.003。
金属背板所用材料为铜，金属背板的厚度为200-1000纳米，可以有效抑制太赫兹电磁波的透射，因此这是一种反射式的人工电磁表面
这种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面的工作原理如下。在太赫兹波垂直于谐振环平面、电场分量平行于其开口(TM波模式)的入射条件下，若没有光激励(此处是指波长短于1100纳米的泵浦光)，本征硅薄膜的电导率量级为100S/m，远低于金属铜的5.8×107S/m，因此可以视作介质材料，此时单元结构的谐振频率ω1，反射参数为S11(1)。在泵浦光的激励下，光生载流子使得硅薄膜的电导率大大增加(可以达到104S/m量级)，因此单元结构的谐振性质发生变化，谐振频率移动到ω2，反射参数为S11(2)。选择合适的工作频段，使得在两种状态下，单元的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码，将未激励和激励状态分别标记为“0”和“1”。
将不同的编码单元排成特定的序列，则可以获得一定功能的人工电磁表面。由于单元结构是相同的，这大大简化了布阵的过程。如图2(a)所示，给出了一个2×2阵列的实例，编码为“0110”。此处，一个关键的技术是如何实现快速可调且可以编码的“0”和“1”状态，即光激励与非激励条件。本发明将采用空间光调制器实现这个目的。仍以图2的阵列为例，“0”是未激励(或弱激励)，“1”是强激励，则通过对空间光调制器进行编程，使得泵浦光通过光调制器后，分别为暗区和明区，由此可以得到图2(a)的阵列对应的光调制效果为“暗明明暗”，即图2(b)所示。对于特定功能需求的复杂阵列，则需根据电磁仿真结果进行布阵，但是原理是类似的。此外，空间光调制器的分辨率可以达到10μm×10μm，因此对于工作于太赫兹频率的超表面，其精度是足够的。
一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面的调控方法，在太赫兹波垂直于谐振环平面、电场分量平行于其开口的入射条件下，若没有光激励，本征硅外延薄膜的电导率量远低于金属铜的电导率量，将此时的硅外延薄膜视作介质材料，得到此时单元结构的谐振频率一ω1，反射参数一为S11(1)；在泵浦光的激励下，光生载流子使得硅外延薄膜的电导率增加，得到此时的谐振频率二ω2，反射参数二为S11(2)；选择工作频段使得在两种状态下，单元结构的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码，将未激励和激励状态分别标记为“0”和“1”；将不同的编码单元排成特定的序列，获得一定功能的人工电磁表面；通过对空间光调制器进行编程，使得泵浦光通过光调制器后，分别为暗区和明区；通过对暗区和明区的解调，得到对电磁波的调控信息。
实施例一：如图1所示的结构单元，单元在x与y方向的周期均为p＝156μm，金属开口谐振环的宽度和高度分别为w＝98μm和h＝118μm，金属线宽度为u＝25μm，开口宽度为g＝37μm，硅薄膜的宽度和高度分别为g＝37μm和d＝50μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为750nm，聚酰亚胺介质层的厚度为35μm，硅薄膜的厚度为8750nm，其上表面与与金属结构平齐，因此硅层有8μm是嵌入到聚酰亚胺层中。未激励状态，硅薄膜的电导率为100S/m，处于激励状态时，其电导率设定为1×104S/m，由此得到“0”和“1”两种状态。
采用CST微波工作室对上述单元进行电磁仿真，得到的S参数如附图3和4所示。由图可知，在0.716THz附近，两种状态下的反射系数S11振幅部分非常接近，均为0.77左右，而相位则相差180°，符合前述的编码超表面中“0”态和“1”态的要求。此外，相位差处于160°-180°，振幅差不超过0.1的频率范围约为0.07THz，在该范围内，均可以实现四波束散射。
电磁波垂直入射时，为抑制正反射波束并将其打散成四个斜角度的散射波束，设计了如图5所示的阵列结构，其中将3×3的9个小单元作为一个大单元进行布阵。TM波模式下(电场延x方向)，工作频率为0.645THz时，超表面的三维远场散射方向图如图6所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，且变成四个斜角度的散射波束，散射束与z轴所成的角度为45°。
实施例二：如图1所示的结构单元，单元在x与y方向的周期均为p＝156μm，金属开口谐振环的宽度和高度分别为w＝98μm和h＝118μm，金属线宽度为u＝25μm，开口宽度为g＝37μm，硅薄膜的宽度和高度分别为g＝37μm和d＝50μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为750nm，聚酰亚胺介质层的厚度为35μm，硅薄膜的厚度为8750nm，其上表面与与金属结构平齐，因此硅层有8μm是嵌入到聚酰亚胺层中。未激励状态，硅薄膜的电导率为100S/m，处于激励状态时，其电导率设定为1×104S/m，由此得到“0”和“1”两种状态。
电磁波垂直入射时，为抑制正反射波束并将其打散成两个斜角度的散射波束，设计了如图7所示的阵列结构，其中将3×3的9个小单元作为一个大单元进行布阵。单元在“0”和“1”两种状态间切换，只要通过电脑程序调节空间光调制器的输出光分布即可，因此可以非常快速地从图5的阵列排布转变到图7的阵列排布，实现可编程的目的。TM波模式下(电场延x方向)，工作频率为0.645THz时，超表面的三维远场散射方向图如图8所示。由图可知，正反射波束得到了显著抑制，变成两个斜方向的散射波束，散射束与z轴所成的角度为29.3°。
实施例三：如图1所示的结构单元，单元在x与y方向的周期均为p＝156μm，金属开口谐振环的宽度和高度分别为w＝98μm和h＝118μm，金属线宽度为u＝25μm，开口宽度为g＝37μm，硅薄膜的宽度和高度分别为g＝37μm和d＝50μm。金属背板和金属结构中金属铜层的厚度均为750nm，聚酰亚胺介质层的厚度为35μm，硅薄膜的厚度为8750nm，其上表面与与金属结构平齐，因此硅层有8μm是嵌入到聚酰亚胺层中。未激励状态，硅薄膜的电导率为100S/m，处于激励状态时，其电导率设定为6×103S/m，由此得到“0”和“1”两种状态。
电磁仿真结果表明，相位差相差180°和振幅相同的频率点并不重合，因此综合考虑，选取工作在0.732THz附近，此时两种状态下的反射系数S11振幅分比为为0.76和0.71，而相位则相差175°，符合前述的编码超表面中“0”态和“1”态的要求。
本发明采用由人工设计的金属结构、半导体功能层、介质衬底和金属背板构成，其中金属结构为U型金属开口环结构，半导体功能层为硅薄膜。该结构基于新型人工电磁材料，可以通过泵浦光的明暗分布控制功能单元的反射相位分布，进而操控反射电磁波的空间分布。这是一种可重构、可编程的人工电磁表面，且具有尺寸小、重量轻等优点，因此在太赫兹功能器件方面具有很好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：包括依次设置的金属结构、介质衬底和金属背板；所述金属结构为U型开口谐振环结构，在该谐振环结构的开口处嵌入半导体功能层，所述半导体功能层包括半导体薄膜，该半导体薄膜所用材料为硅外延薄膜；硅外延薄膜的电导率通过激光泵浦进行调控。
2.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述硅外延薄膜通过激光泵浦进行调控激励时，本征硅电导率很低，近似为介质，当强光泵浦产生大量光生载流子后，电导率显著增加，呈现导电性。
3.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述介质衬底的太赫兹介电常数为2.5-3.5，损耗角正切为0.002-0.004。
4.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述介质衬底的太赫兹介电常数为3.0，损耗角正切为0.003。
5.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述金属结构的工作频率为太赫兹区。
6.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述介质衬底为聚酰亚胺薄膜；所述金属背板所用材料为铜。
7.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述开口谐振环结构通过显微光刻方法获得。
8.根据权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面，其特征在于：所述介质衬底的厚度为20-50微米，金属背板的厚度为200-1000纳米，所述开口谐振环结构的厚度为200-1000纳米。
9.一种基于权利要求1所述的光控可编程太赫兹1-比特人工电磁表面的调控方法，其特征在于：在太赫兹波垂直于谐振环平面、电场分量平行于其开口的入射条件下，若没有光激励，本征硅外延薄膜的电导率量远低于金属铜的电导率量，将此时的硅外延薄膜视作介质材料，得到此时单元结构的谐振频率一ω1，反射参数一为S11(1)；在泵浦光的激励下，光生载流子使得硅外延薄膜的电导率增加，得到此时的谐振频率二ω2，反射参数二为S11(2)；选择工作频段使得在两种状态下，单元结构的反射振幅相近，而相位相差180°，由此可以获得两种基本的编码，将未激励和激励状态分别标记为0和1；将不同的编码单元排成特定的序列，获得一定功能的人工电磁表面；通过对空间光调制器进行编程，使得泵浦光通过光调制器后，分别为暗区和明区；通过对暗区和明区的解调，得到对电磁波的调控信息。
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