CN107256993A - 一种THz波导型VO2温控开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种THz波导型VO₂温控开关，包括具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、由VO₂薄膜和基底组成的波导II，且具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、VO₂薄膜和基底由外至内依次设置，所述周期起伏结构是方形周期起伏结构。本发明是一种损耗小、结构简单、性能调谐简单、调控范围宽的THz波导型温控开关，利用VO₂相变温度前后的绝缘相到金属相的属性转变来实现波导中太赫兹波通过与否的调控，来实现开关功能。

Description

一种THz波导型VO2温控开关

技术领域

本发明涉及一种开关，尤其涉及一种THz波导型VO₂温控开关。

背景技术

太赫兹波通常是指频率为0.1～10THz(波长范围为3000～30μm)之间的电磁波，在高容量高速率的通信方面有重要的应用前景，但是THz器件尤其是可控器件如THz相位调控，滤波、调制和开关等器件的匮乏，限制了THz通信技术的发展，其中THz光开关是太赫兹通信的关键器件之一，对其研究有着重要的意义。

近些年，对于THz光开关方面国内外都取得了很多研究成果。2010年Yinghao Yuan等人在3rd International Photonics&OptoElectronics Meetings上发表了“Electrically controlled broadband THz switch based on liquidcrystal-filledmulti-layer metallic grating structures”，研究了基于电控液晶填充的多层金属光栅的太赫兹波开关，其开关消光比为7dB，调控带宽为100GHz。2015年MahmoodBarangi等人在International Conference on Nanotechnology会议上发表了“Design and Analysis ofa Terahertz SSPP SwitchUsing Piezoelectric Materials”，结构包括单面的起伏金属材料结构，这种结构通过压电材料来实现改变槽的高度从而实现对带隙的调控，实现开关功能。2015年郭超等人在太赫兹科技与电子信息学报上发表“基于VO₂薄膜的太赫兹开关器件”，利用VO₂的相变特性来实现对单一频率2.52THz辐射的开关特性。

已发表的相关专利也已经有很多，2010年天津大学的胡明等人申请了专利《一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法》，专利公开号为CN 101950092A，是一种氧化钒薄膜结构，在空间太赫兹时域频谱系统中利用激光激发氧化钒薄膜的金属特性实现开关功能，速度快且插入损耗低，但消光比较低，只有4.4dB。2013年中国计量学院的刘建军等人申请了专利《一种光控太赫兹波开关》，专利公开号为CN 103135260A，通过平移台来改变缺陷层的厚度和激光的有无或者激光功率的强弱来实现调控功能，所需激光功率较低但是操作比较复杂。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种损耗小、结构简单、性能调谐简单、调控范围宽的THz波导型VO₂温控开关，利用VO₂相变温度前后的绝缘相到金属相的属性转变来实现波导中太赫兹波通过与否的调控，来实现开关功能。

本发明的目的是这样实现的：包括具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、由VO₂薄膜和基底组成的波导II，且具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、VO₂薄膜和基底由外至内依次设置，所述周期起伏结构是方形周期起伏结构。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I满足：

式中：是开关的工作频率，c是光速，m是第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I的周期长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为波导型THz开关，结构简单、材料易得且尺寸较小，可用于太赫兹集成系统当中；本发明结构为组合的金属结构，可以有效的防止外界的电磁辐射，而且介质损耗较低；本发明具有消光比高、插入损耗小、调谐范围宽等优点。

附图说明

图1为本发明一种THz波导型VO₂温控开关的结构示意图；

图2为本发明一种THz波导型VO₂温控开关的剖面细节图：其中1为波导I所涂覆的金层，3为波导II基底的高密度聚乙烯，2为VO₂薄膜；4表示波导I中起伏的部分是空气；

图3为本发明一种THz波导型VO₂温控开关的结构在“开”、“关”状态下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，本发明由周期结构的圆柱状中空波导I和涂覆了VO₂薄膜的圆柱波导II组合而成，VO₂薄膜的圆柱波导II内嵌在周期结构波导I内组合起来即为本发明的结构。所述的波导I结构管壁所采用的材料可以是低损耗的金属，如金、银等，也可以是一些其它对于太赫兹波不透明且传输损耗小的材料。内嵌的圆柱状波导的管壁II为VO₂薄膜，其基底材料为在太赫兹波段低损耗、低色散的聚合物材料等，例如高密度聚乙烯等。

也即本发明是一种THz波导型VO2温控开关，如图1所示为本发明结构的剖面图，本发明由周期起伏结构的圆柱状中空波导I和涂覆了VO₂薄膜的圆柱波导II组合而成，波导I的结构参数由布拉格共振给出，波导II的外半径等于周期变截面波导I的内部短半径。VO₂薄膜的圆柱波导I内嵌在周期结构波导II内组合起来，所述的周期结构波导I的一个周期Λ内的短半径r₁和长半径r₂部分各占一半，内嵌的波导II的外半径r₃等于波导I短半径r₁。

如图1所示，为理论计算时所用的模型，这组合波导的结构尺寸分别为：波导I：r₁＝180μm和r₂＝220μm，Λ＝183μm，周期个数为N＝9.5，其外附金属层d_a＝1μm，波导II的外半径为r₃＝180μm，VO₂薄膜厚度d_b＝1μm和基底d_c＝10μm；其中：r₁、r₂和Λ分别为波导I的短半径、长半径和周期长度；结构1、2、3分别表示波导I所涂覆的金层和构成波导II的VO₂薄膜及基底，d_a、d_b和d_c分别为它们的厚度，

当温度为40℃时(低于相变温度68℃)，VO₂薄膜处于绝缘相，波导II整体对于太赫兹波是透明的，因此由波导I的周期结构形成的布拉格禁带使得一定频率范围内的太赫兹波被完全反射，当温度为80℃时(高于相变温度68℃)，VO₂薄膜处于金属相，太赫兹波很难透过，此时太赫兹波主要在波导II中传播，波导I的起伏结构失去作用，禁带消失，在原有频率禁带范围内的透射率大大增加，从而实现了对太赫兹“开”、“关”的调控。其调控范围是可达259GHz，消光比高达29.08dB。

本发明的原理如下：

在周期起伏结构波导中电磁波的相同横向模式之间会发生共振，从而产生布拉格频率禁带，使得某些特定频率范围内的电磁波不能通过周期结构波导。周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点给出：

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度。在周期结构波导中，由于周期状起伏结构的存在，使得横向模式之间会发生共振，从而产生频率禁带。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振被称为布拉格共振，产生布拉格禁带。这里的周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件(m＝1，n＝0和m＝1，n＝1)给出的。

VO₂相变温度在68℃附近，在其前后VO₂会从绝缘相到金属相转变，伴随着其光学、电学和磁学性质的可逆突变，尤其是其电导率可以达到3-4个数量级的变化。当内嵌VO₂薄膜的圆柱状波导后，低于相变温度为40℃时(低于相变温度)，薄膜表现为绝缘相，对太赫兹波几乎是透明的，所以波导II在组合波导中处于“隐形”，波导I的起伏结构发生作用产生布拉格禁带，即在较宽的特定频率范围其透射率T<0.01，此时VO₂的电导率为200s/m，相对介电常数为9；当外界控制温度为80℃时(高于相变温度)，薄膜表现为金属相，太赫兹波很难透过，此时太赫兹波被限制在波导II内，因此波导I的周期起伏结构失去作用，此时太赫兹波主要在圆柱状直波导II中传播，所以频率禁带消失，透射率可以达到0.81，VO₂的电导率的数量级可达到10⁵，相对介电常数满足Drude模型随频率f变化而变化为：

通过改变温度实现了对太赫兹波在波导中传播特性的调控，实现了开关功能。

本发明的制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I的起伏结构形成基底，成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度大约1μm。利用聚合物的热熔性热塑成圆柱状基底10μm，以此为基底再利用直流磁控溅射方法制备VO₂薄膜，其厚度为1μm形成波导II。为了实现涂覆了VO₂薄膜的圆柱状波导的内嵌，其外半径要等于周期波导I的内部短半径。

综上，本发明提供了一种THz波导型VO₂温控开关。它由周期结构的圆柱状中空波导I和内嵌的涂覆了VO₂薄膜的圆柱波导II组合而成，其波导I管壁材料为低损耗金属，波导II涂覆VO₂薄膜的基底为高分子聚合物。波导I的结构参数由周期变截面波导的布拉格共振条件给出，波导II的外半径为周期变截面波导I的内部短半径。本发明利用VO₂的温度相变特性来实现对太赫兹波的开关控制功能。VO₂是一种具有金属相-绝缘相相变特性的金属氧化物，当外界调控温度小于相变温度时VO₂表现为绝缘相，对于太赫兹波是透明的，对于周期结构带来的模式相互作用而形成的布拉格禁带几乎没有影响，透射率很低相当于“关”；当外界控制温度大于相变温度时，VO₂表现为金属相，太赫兹波很难透过，此时的波导结构变为圆柱状波导即波导II，周期结构不复存在，不能形成禁带，透射率很高相当于“开”，因此通过外部温度的调节可实现对太赫兹波的开关调控。本发明是THz波导型功能器件，具有结构简单、体积小、易于集成、消光比高和调控范围宽等优点。

Claims (2)

1.一种THz波导型VO₂温控开关，其特征在于：包括具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、由VO₂薄膜和基底组成的波导II，且具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I、VO₂薄膜和基底由外至内依次设置，所述周期起伏结构是方形周期起伏结构。

2.根据权利要求1所述的一种THz波导型VO₂温控开关，其特征在于：具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I满足：

<mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <msqrt> <mrow> <mfrac> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>r</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </msubsup> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>&amp;Lambda;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

式中：是开关的工作频率，c是光速，m是第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是具有周期起伏结构的圆柱状中空波导I的周期长度。