CN106249321B - 一种太赫兹超材料波导及器件 - Google Patents

一种太赫兹超材料波导及器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太赫兹波导技术领域，提供一种太赫兹超材料波导及器件，所述太赫兹超材料波导包括亚波长基底层和金属层，所述亚波长基底层的一个表面镀有所述金属层，所述金属层上开有呈周期性排列的多个微孔。本发明通过采用亚波长基底层，并在亚波长基底层的一个表面镀上开有呈周期性排列的多个微孔的金属层，能够大大降低太赫兹波导的厚度和在太赫兹波导中传输的太赫兹波的传输损耗，节约了制造成本。

Description

一种太赫兹超材料波导及器件
技术领域
本发明实施例属于太赫兹波导技术领域，尤其涉及一种太赫兹超材料波导及器件。
背景技术
太赫兹波导是太赫兹系统和器件中的关键部件，在太赫兹远距离能量传输，生物化学传感器和太赫兹集成器件应用中都具有重要作用。
然而，现有的太赫兹波导结构通常需要较厚的厚度才能满足太赫兹波的传输需求，导致太赫兹波的传输损耗较高且增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹超材料波导及器件，旨在解决现有的太赫兹波导结构通常需要较厚的厚度才能满足太赫兹波的传输需求，导致太赫兹波的传输损耗较高且增加了制造成本的问题。
本发明是这样实现的，一种太赫兹超材料波导，太赫兹超材料波导包括亚波长基底层和金属层，所述亚波长基底层的一个表面镀有所述金属层，所述金属层上开有呈周期性排列的多个微孔。
优选的，所述多个微孔呈矩形阵列排布或正六边形排布。
优选的，所述多个微孔的结构周期范围为50μm～100μm，所述微孔的孔径范围为40μm～75μm。
优选的，所述微孔为圆孔或正多边形孔。
优选的，所述亚波长基底层的厚度范围为12μm～100μm。
优选的，所述亚波长基底层的制备材料为聚酯薄膜、特氟龙、硅或锗。
优选的，所述金属层的制备材料为金、银、铝或铜。
优选的，所述微孔通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割工艺形成。
优选的，所述金属层通过热蒸发沉积法镀设于所述亚波长基底层表面。
本发明还提供一种太赫兹器件，包括上述的太赫兹超材料波导。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
通过采用亚波长基底层，并在亚波长基底层的一个表面镀上开有呈周期性排列的多个微孔的金属层，能够大大降低太赫兹波导的厚度和在太赫兹波导中传输的太赫兹波的传输损耗，节约了制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的太赫兹超材料波导的立体结构示意图；
图2是本发明的一个实施例提供的金属层的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例提供的金属层的结构示意图；
图4是本发明的一个实施例提供的金属层的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的太赫兹超材料波导的侧视图；
图6是本发明实施例提供的太赫兹超材料波导的太赫兹波传输光谱仿真图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
如图1所示，本实施例提供一种太赫兹超材料波导，其包括亚波长基底层10和金属层20，亚波长基底层10的一个表面镀有金属层20，金属层20上开有呈周期性排列的多个微孔21。
在具体应用中，亚波长基底层的一个表面指的是其面积最大的两个表面中的一个。
在具体应用中，多个微孔21呈矩形阵列排布或正六边形排布，微孔具体可以为圆孔、正多边形孔或者其他规则形状的孔，可以根据实际需要设置。图1中，微孔21为呈矩形阵列排布的圆孔。
多个微孔21的结构周期范围为50μm～100μm，孔径范围为40μm～75μm。
在一个实施例中，微孔21为方孔，其结构周期为50μm，孔径为40μm。
在一个实施例中，微孔21为方孔，其结构周期为100μm，孔径为75μm。
在一个实施例中，微孔21为方孔，其结构周期为150μm，孔径为100μm。
在具体应用中，微孔的边长和结构周期可以根据实际需要设置，微孔的尺寸和结构周期可以根据太赫兹超材料波导的基模的截止频率要求进行调整。本实施例中，选用结构周期为150μm、孔径为100μm的方孔。
如图2所示，为本发明一个实施例提供的开有呈矩形阵列排布的方孔的金属层的结构示意图。图2中p为微孔21的结构周期，a为微孔21的孔径。
如图3所示，为本发明一个实施例提供的开有呈矩形阵列排布的正六边形孔的金属层的结构示意图。
如图4所示，为本发明一个实施例提供的开有呈正六边形排布的圆孔的金属层的结构示意图。
在具体应用中，亚波长基底层的制备材料可以选用聚酯薄膜、特氟龙、硅或锗，也可以是其他亚波长材料。本实施例中，亚波长基底层的制备材料选用聚酯薄膜，其在太赫兹频段的折射率为～1.6(约为1.6)。
在具体应用中，亚波长基底层的厚度范围可以为12μm～100μm，也可以根据实际需要选择其他厚度。改变亚波长基底层的厚度将改变太赫兹超材料波导的传输特性。本实施例中，亚波长基底层的厚度具体可以为12μm、36μm或50μm。
在具体应用中，金属层的厚度可以根据实际需要设置，金属层的厚度不同将改变太赫兹超材料波导的传输特性。本实施例中，金属层的厚度为200nm。
如图5所示，为本发明一个实施例提供的太赫兹超材料波导的侧视图。图5中t表示亚波长基底层的厚度，d表示金属层的厚度。
在具体应用中，金属层的制备材料可以选用金、银、铝或铜，也可以是其他金属。本实施例中，金属层的制备材料选用银。
在具体应用中，微孔可以通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割工艺形成。
在具体应用中，金属层可以通过热蒸发沉积法镀设于所述亚波长基底层的一个表面。
在一个实施例中，太赫兹超材料波导的制备方法具体为：通过光刻法在金属材料上刻蚀微孔，将金属层制成掩模，再通过热蒸发沉积法将金属层镀在亚波长基底层的一个表面。
在具体应用中，单个太赫兹超材料波导的尺寸可以根据实际应用需要进行设置。本实施例中，太赫兹超材料波导的长度为40mm，宽度为6mm。
图6所示，为采用本发明实施例提供的太赫兹超材料波导传输太赫兹波时，所得到的太赫兹波的传输特性仿真图。其中，横轴表示太赫兹波的频率(Frequency)，单位为THz；纵轴表示太赫兹波的振幅(Amplitude)，单位可以自定义，图中表示为arb.unit；曲线A、B和C分别为亚波长基底层的厚度为12μm、36μm和50μm时所对应的太赫兹波的传输特性曲线。
图6中，亚波长基底层的厚度为12μm时，所对应的太赫兹波传输特性曲线在1.0THz处有明显的禁带，是受金属层的布里渊区边界决定，截止频率为300μm(1.0THz)。小于1.0THz频率的太赫兹波是受金属层的结构决定的TEM基模，而大于1.0THz频率的太赫兹波是受整个太赫兹超材料波导的结构决定的高阶TM1模式。
同理，图6中，亚波长基底层的厚度为36μm或50μm时，所对应的太赫兹波传输特性曲线的截止频率仍然为1.0THz。
值得注意的是亚波长基底层的厚度为36μm或50μm时，所对应的太赫兹波传输特性曲线中没有频率超过1.0THz的高阶模，主要原因是由于聚酯薄膜材料的增厚增强了吸收损耗。同时，TEM模(transverse electromagnetic mode，横电磁波模式)被分为了两个波段，分别出现了小于1.0THz的截至频率，此原因主要由于聚酯薄膜材料的厚度调节了太赫兹超材料波导的有效折射率。
本发明实施例所提供的太赫兹超材料波导，可通过改变金属层的结构、亚波长基底层的材料和厚度来调节太赫兹波的频率、带宽、色散等传输特性；金属层和亚波长基底层的厚度薄，能够有效降低太赫兹波导的厚度和太赫兹波的传输损耗，节约了制造成本；太赫兹超材料波导可通过金属镀膜方法制备，易于加工。
本发明实施例还提供一种太赫兹器件，包括上述的太赫兹超材料波导。
在具体应用中，太赫兹器件具体可以是太赫兹能量传输类器件、化学生物传感器、太赫兹二维片上芯片等。
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 (10)

1.一种太赫兹超材料波导，其特征在于，所述太赫兹超材料波导包括亚波长基底层和金属层，所述亚波长基底层的一个表面镀有所述金属层，所述金属层上开有呈周期性排列的多个微孔，通过改变所述亚波长基底层的厚度，来调节所述太赫兹超材料波导的截止频率。
2.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述多个微孔呈矩形阵列排布或正六边形排布。
3.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述多个微孔的结构周期范围为50μm～100μm，所述微孔的孔径范围为40μm～75μm。
4.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述微孔为圆孔或正多边形孔。
5.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述亚波长基底层的厚度范围为12μm～100μm。
6.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述亚波长基底层的制备材料为聚酯薄膜、特氟龙、硅或锗。
7.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述金属层的制备材料为金、银、铝或铜。
8.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述微孔通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割工艺形成。
9.如权利要求1所述的太赫兹超材料波导，其特征在于，所述金属层通过热蒸发沉积法镀设于所述亚波长基底层表面。
10.一种太赫兹器件，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的太赫兹超材料波导。
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