CN108199782B - 一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器及编码系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器及编码系统，本编码器包括硅衬底和其顶面N×N个正方形单元结构成的二维阵列。每个单元结构包括一个与之中心重合的金属结构，即“U”形结构和其右侧与其竖直部分平行的“l”形结构，二者横向中分线重合。本编码系统太赫兹源和接收器之间为本发明的太赫兹波编码器，编码器置于可围绕Y或Z轴旋转的样品架。太赫兹波沿X轴偏振并沿Z轴传播。编码器二维阵列面向太赫兹源。本编码器与太赫兹波光轴或偏振方向的相对角度改变时，编码器中的表面等离子激元的共振特性改变，独立控制双频段的透射率，实现双频段太赫兹波的二进制编码。本编码器结构单一，易于制造；本系统操作方便，实用性强。

Description

一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器及编码系统

技术领域

本发明涉及太赫兹波编码器技术领域，尤其涉及一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器及编码系统。

背景技术

等离子器件，亦称为微纳结构器件，是一种新型的亚波长尺度的人工金属结构材料，它可以将电磁场束缚在金属表面，激发电子的集体振荡，形成表面等离子激元，并利用表面等离子激元与入射电磁场的相互作用对电磁波进行调控。等离子体器件可以通过简单的结构实现，典型结构为在介质衬底上周期排列的金属单元结构，其中每个金属单元结构有处于亚波长尺度范围内的孔结构或条状结构。各单元结构构成的阵列结构激发的表面等离子激元的频率与单元结构孔或条的尺寸及衬底介电常数有高度的依赖关系。等离子器件作为一种新型人工材料，提供了人为操控电磁波的新工具。

太赫兹波是频率处于红外和微波之间的电磁波，具有安全性高、穿透性好和频带宽等特性，在医疗诊断、安全检测、无损探伤和宽带通信等众多领域具有重要的实用前景。与微波通信相比，太赫兹通信极大地拓宽频段的带宽，实现大容量、高速率的信息传输，并且波长更短，分辨率更高，在军事通信中具有独特的优势。发展太赫兹通信的相关器件具有十分重要的意义。

据报道，目前用于调控太赫兹波段的编码器通常采用多层金属结构，或者采用单元结构复杂的超材料，单元结构中不同的金属结构对不同频段电磁波的相位进行调节，从而实现不同编码的太赫兹波反射角度不同。但现有的太赫兹编码器不仅设计复杂，加工过程繁琐，而且经过这些编码器后出射的太赫兹波的方向不唯一，导致在太赫兹时域光谱系统的实际探测中需要不断调节光路中的接收器位置才能接收到信号。因太赫兹波属于不可见光波，调整太赫兹时域光谱系统实验光路实现准直和共焦的难度很大，故现有的太赫兹编码器实用性受到极大地限制。

随着太赫兹波的广泛应用，急需一种能操控太赫兹波、且结构简单、操作方便、实用性强的太赫兹波编码器。

发明内容

发明目的是提供一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，本编码器由硅衬底和硅衬底顶面上的二维阵列构成，形成等离子器件结构。所述二维阵列由周期排列的N×N个正方形单元结构组成。所述单元结构有金属结构，金属结构的中心与单元结构的中心重合；金属结构包括一个“U”形金属结构和一个位于“U”形金属结构右侧的“l”形金属结构。

发明的另一目的是提供一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统，本编码系统中采用本发明的编码器，当编码器与入射的太赫兹波光轴或偏振方向的相对角度改变，即可调节本编码器表面二维阵列激发的表面等离子激元的共振特性，在太赫兹波的低频和高频两个频段相对独立地实现通过和抑制两种状态的切换，也就是实现对双频段太赫兹波的二进制编码。

本发明的一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器的设计方案如下：包括硅衬底和在硅衬底顶面的二维阵列，所述二维阵列由周期排列的N×N个正方形单元结构组成，N为≥25的整数。所述每个单元结构包括一个金属结构，金属结构的中心与其所在的单元结构的中心重合，所述金属结构由一个“U”形金属结构和一个位于“U”形金属结构右侧的“l”形金属结构构成，“U”形金属结构竖直部分与“l”形金属结构平行，“U”形金属结构竖直部分与“l”形金属结构的横向中分线重合；同一个单元结构中，“U”形金属结构竖直部分的边缘与“l”形金属结构边缘的间距为4～100微米；相邻单元结构的“U”形金属结构的竖直部分的边缘与“l”形金属结构边缘的间距为4～100微米。“U”形和“l”形金属结构的线宽相等，为4～8微米。

所述金属结构为金层、银层、铜层和铝层中的任一种，厚度为0.05～0.5微米。

所述“U”形金属结构竖直部分的高度为20～200微米，水平部分的长度为20～200微米，“l”形金属结构高度为20～200微米。

所述“U”形金属结构竖直部分的高度等于或小于“l”形金属结构的高度，二者的差为0～100微米。

所述单元结构正方形的边长为32～300微米。

所述硅衬底厚度为100～1000微米。

所述硅衬底顶面的中心与所述二维阵列的中心重合；所述硅衬底顶面的面积大于所述二维阵列的面积，所述二维阵列的边缘与所述硅衬底顶面相邻边的距离大于100微米。

为了便于辨认二维阵列中“U”形金属结构的朝向，在硅衬底顶面二维阵列外侧的某个角有标志。标志为与各金属结构相同的金属层。

本发明的一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统的设计方案如下：包括太赫兹源、太赫兹接收器以及位于太赫兹源和太赫兹接收器之间的太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器为本发明的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器置于样品架上，所述样品架为可围绕Y轴或者Z轴旋转的可调节架。

所述太赫兹源发出的太赫兹波沿X轴方向偏振并沿Z轴方向的光路传播，经过所述太赫兹编码器透射，到达另一侧的太赫兹接收器。所述太赫兹编码器的二维阵列所处的面朝向太赫兹源；二维阵列的纵向平分线与单元结构的“l”形金属结构平行，二维阵列的纵向平分线和横向平分线相交于三维坐标原点。

所述编码器的二维阵列所处的面保持与光轴垂直，二维阵列沿Z轴旋转后，其横向平分线与X轴的交角为天顶角θ；所述编码器的二维阵列的纵向平分线保持与太赫兹波的偏振方向垂直，二维阵列沿Y轴旋转后，其横向平分线与X轴的交角为方位角φ。

当保持所述编码器的二维阵列所处的面与光轴垂直、方位角φ＝0°，编码器沿Z轴旋转、天顶角θ为不同值时，或者保持所述编码器的二维阵列的纵向平分线与太赫兹波的偏振方向垂直、天顶角θ＝0°，编码器沿Y轴旋转、方位角φ为不同值时，对应的高频段和低频段的透射率不同。因为所述编码器与光轴或太赫兹波的偏振方向的相对角度改变后，编码器的金属结构中激发的表面等离子激元的共振特性不同，导致共振频率和共振频率处的振幅产生变化，本系统在太赫兹波的低频和高频两个频段相对独立地切换通断两种状态，也就是实现对双频段太赫兹波的二进制编码。

本发明以二进制编码00、01、10和11作为所述编码器的四种数字态编码，编码中第一位和第二位的数字分别代表于频段B和频段C的太赫兹波透射率的数字态。以太赫兹波透射率为50％为界，透射率低于50％视为低透过率，数字态编码为“0”，透射率高于50％视为高透过率，数字态编码为“1”。

频段A为0.11～1THz，频段B为0.26～2.6THz，频段C为0.3～2.7THz。

初始状态，所述编码器的二维阵列所处的面与光轴垂直，即处于XY平面上，天顶角θ＝0°，方位角φ＝0°，此状态下各单元结构在“U”形金属结构的底部激发低阶局域表面等离子共振，在整个“U”形金属结构中激发高阶局域表面等离子共振，金属结构激发的表面等离子激元的共振频率分别对应一个低频和一个高频的透射率极小值，其分别对应于频段A和频段C；因频段B为高透过率，频段C为低透过率，对应的数字态编码为“10”。

所述编码器的二维阵列所处的面保持与光轴垂直，保持方位角φ＝0°，编码器沿Z轴旋转后，天顶角θ＝90°时，此状态下主要在“l”形金属结构中激发局域表面等离子共振，该共振频率对应于频段B的透射率极小值；因频段B为低透过率，频段C为高透过率，对应的数字态编码为“01”。

所述编码器的二维阵列所处的面保持与光轴垂直，保持方位角φ＝0°，编码器沿Z轴旋转后，天顶角θ＝40°～50°时，此状态下编码器的透射场可视为平行于二维阵列的纵向平分线和横向平分线的两个正交方向透射场的叠加，太赫兹透射谱在频段A、B和C均出现透射率极小值；因频段B和频段C均为低透过率，对应的数字态编码为“00”。

所述编码器的二维阵列的纵向平分线保持与太赫兹波的偏振方向垂直，保持天顶角θ＝0°，编码器沿Y轴旋转后，方位角φ＝40°～80°时，此状态方位角的改变相当于增大太赫兹波的入射角，调控瑞利反常的频率，抑制高阶局域表面等离子共振，太赫兹透射谱在频段A和频段C出现透射率极小值，但此状态下频段C的透射率极小值的幅值与编码“10”的透射谱相比明显上升，其透射率高于50％；因频段B和频段C均为高透过率，对应的数字态编码为“11”。

与现有技术相比，本发明的一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器及编码系统的有益效果有：1、采用本编码器的编码系统只要转动编码器，即改变编码器与入射太赫兹波光轴或偏振方向的相对角度就能实现高低频的通断状态选择，即实现编码功能，本编码系统光路中的太赫兹源与接收器无需改造或调节，操作简单方便；2、用同一个编码器即可实现特定双频段的太赫兹波二进制编码，无需设计多组不同结构的光器件，亦不需要配置其它集成电路或者采用特殊物理特性的材料，系统结构单一，易于设计制造与组装；3、所述编码器的二维阵列中的每个单元结构只包括一个“U”形金属结构和一个“l”形金属结构，不仅结构简单，而且表面等离子激元与太赫兹波的共振响应物理机制简单清晰，利用其共振响应频率与金属结构尺寸之间的关系，易于设计工作在特定频率下的等离子器件，获得针对太赫兹波段特定频率工作的二进制编码器；4、本编码器为硅衬底上的二维金属结构，且属于无源器件，采用常规光刻工艺一次曝光即可完成制备，易于量产。

附图说明

图1为本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器实施例的正视图；

图2为图1右上角点虚线框的局部放大图；

图3为图1中二维阵列中一个单元结构的正视图；

图4为图1中二维阵列中一个单元结构的侧视图；

图5为本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统实施例的示意图；

图6为图5中00码对应的编码器Y向视图；

图7为图5中00码对应的编码器Z向视图；

图8为图5中01码对应的编码器Y向视图；

图9为图5中01码对应的编码器Z向视图；

图10为图5中10码对应的编码器Y向视图；

图11为图5中10码对应的编码器Z向视图；

图12为图5中11码对应的编码器Y向视图；

图13为图5中11码对应的编码器Z向视图；

图14为本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统实施例接收器所得的太赫兹透射谱。

图中标记为：1、硅衬底，2、二维阵列，21、“U”形金属结构，22、“l”形金属结构，3、“7”字标志，4、太赫兹源，5、样品架，6、太赫兹接收器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的方案。

基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器的实施例

本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器的实施例如图1和2所示，包括硅衬底1和在硅衬底1顶面的二维阵列2，所述二维阵列2由周期排列的N×N个正方形单元结构组成，本例N＝132，本例单元结构正方形的边长为75微米，二维阵列2为边长为0.99厘米×0.99厘米的正方形。

如图3和4所示，所述每个单元结构包括一个金属结构，金属结构的中心与其所在的单元结构的中心重合，所述金属结构由一个“U”形金属结构21和一个位于“U”形金属结构右侧的“l”形金属结构22构成，“U”形金属结构21竖直部分与“l”形金属结构22平行，“U”形金属结构21竖直部分与“l”形金属结构22的横向中分线重合。

本例“U”形金属结构21和“l”形金属结构22的线宽均为4微米。“U”形金属结构21竖直部分的高度为59微米，水平部分的长度为62微米，“l”形金属结构22高度为65微米。同一单元结构中“U”形金属结构21竖直部分的边缘与“l”形金属结构22边缘的间距d为4.5微米。相邻单元结构的“U”形金属结构21竖直部分的边缘与“l”形金属结构22边缘的间距a为4.5微米。

本例金属结构为厚度0.2微米的铝层。

本例硅衬底1厚度为640微米。

本例硅衬底1顶面也是正方形，其中心与二维阵列2的中心重合，硅衬底1顶面的面积大于所述二维阵列2的面积，本例二维阵列2的边缘与硅衬底1顶面相邻边的距离b为500微米。

如图2所示，本例在硅衬底1顶面二维阵列2外侧的右上角有“7”字标志3，“7”字标志3为与各金属结构相同的金属层。本例中的“7”字标志3水平部分宽度为200微米，长度为500微米，竖直部分宽度为200微米，高度为700微米。本例中的“7”字标志3与二维阵列2边缘间隔c为100微米。

基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统的实施例

本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统的实施例如图5所示，包括太赫兹源4、太赫兹接收器6以及位于太赫兹源和太赫兹接收器之间的太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器为本发明的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器置于样品架5上，所述样品架5为可围绕Y轴或者Z轴旋转的可调节架。

所述太赫兹源4发出的太赫兹波沿X轴方向偏振并沿Z轴方向的光路传播，经过所述太赫兹编码器透射，到达另一侧的太赫兹接收器6。所述太赫兹编码器的二维阵列所处的面朝向太赫兹源；如图1和2所示，二维阵列2的纵向平分线VV与单元结构的“l”形金属结构22平行，二维阵列2的纵向平分线VV和横向平分线HH相交于三维坐标的原点。

本例编码器的二维阵列2所处的面保持与光轴垂直，二维阵列2沿Z轴旋转后，其横向平分线HH与X轴的交角为天顶角θ；本例编码器的二维阵列2的纵向平分线VV保持与太赫兹波的偏振方向垂直，二维阵列2沿Y轴旋转后，其横向平分线HH与X轴的交角为方位角φ。

当保持本例编码器的二维阵列2所处的面与光轴垂直、方位角φ＝0°，编码器1+2沿Z轴旋转、天顶角θ为不同值时，或者保持本例编码器的二维阵列2的纵向平分线VV与太赫兹波的偏振方向垂直、天顶角θ＝0°，编码器1+2沿Y轴旋转、方位角φ为不同值时，金属结构中激发的表面等离子激元的共振频率不同，所以对应的高频段和低频段的透射率不同。

本例以二进制编码00、01、10和11作为本编码器的四种数字态编码，编码中第一位和第二位的数字分别代表低频段和高频段太赫兹波透射率的数字态。以太赫兹波透射率为50％为界，透射率低于50％视为低透过率，数字态编码为“0”，透射率高于50％视为高透过率，数字态编码为“1”。

如图6、7所示，所述编码器的二维阵列2处于XY平面上，保持方位角φ＝0°，天顶角θ＝45°时，对应的数字态编码为“00”；

如图8、9所示，所述编码器的二维阵列2处于XY平面上，保持方位角φ＝0°，天顶角θ＝90°时，对应的数字态编码为“01”；

如图10、11所示，所述编码器的二维阵列2仍处于XY平面上，保持方位角φ＝0°，天顶角θ＝0°时，对应的数字态编码为“10”；

如图12、13所示，所述编码器的二维阵列2的纵向平分线VV保持与太赫兹波的偏振方向X轴垂直，保持天顶角θ＝0°，编码器沿Y轴旋转后，方位角φ＝70°时，对应的数字态编码为“11”。

图14为本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统实施例接收器所得的太赫兹透射谱，此图纵坐标为透射率，单位为百分数(％)；横坐标为频率，单位为THz。本例根据频段B的0.7THz和频段C的0.96THz处的透过率确定数字态编码，图14中以两条竖线标出上述两个频率位置；图14中的横线标出了透过率为50％的位置。

图14中粗实线表示数字态编码为“00”的太赫兹透射谱，于频段A的0.37THz处、频段B的0.7THz处和频段C的0.96THz处均出现透射率极小值，于频段B的0.7THz处透射率为48％，于频段C的0.96THz处透射率为43％，均为低透过率；

图14中细实线表示数字态编码为“01”的太赫兹透射谱，于频段B的0.7THz附近为透射率极小值，透射率仅为15％，为低透过率；于频段C的0.96THz处透射率达72％，为高透过率。

图14中短线段虚线表示数字态编码为“10”的太赫兹透射谱，于频段A的0.37THz处和频段C的0.96THz处为透射率极小值，该曲线于频段B的0.7THz处透射率达95％，为高透过率，于频段C的0.96THz处透射率为20％，为低透过率。

图14中点虚线表示数字态编码为“11”的太赫兹透射谱，于频段A的0.37THz处和频段C的0.96THz处出现透射率极小值，但此状态下频段C的透射率极小值的幅值与编码“10”的透射谱相比明显上升，此曲线于频段C的0.96THz处透射率为66％，于频段B的0.7THz处透射率高达96％，均为高透过率。

在图14中明显看到在频段B和频段C处，本系统只通过改变编码器二维阵列2的平面与入射太赫兹波光轴或偏振方向的交角即实现了对透射太赫兹波进行00、01、10和11四种编码。

由本例可见，太赫兹源4、样品架5和太赫兹接收器6的位置均固定不变，太赫兹波的偏振方向也是固定的，保持光路的稳定性，只需要转动本编码器，改变本编码器与太赫兹波光轴或偏振方向的相对角度，即可控制调节本系统的透射场。

本例中四个不同的数字态编码对应的编码器摆放角度(即编码器与太赫兹波光轴或偏振方向的相对角度)的对照见表1。

表1本例的编码系统实现的数字态编码与编码器摆放角度对照表

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，包括硅衬底(1)和在硅衬底(1)顶面的二维阵列(2)，其特征在于：

所述二维阵列(2)由周期排列的N×N个正方形单元结构组成，N为≥25的整数；所述正方形单元结构每个包括一个金属结构，金属结构的中心与其所在的单元结构的中心重合，所述金属结构由一个“U”形金属结构(21)和一个位于“U”形金属结构(21)右侧的“l”形金属结构(22)构成，“U”形金属结构(21)竖直部分与“l”形金属结构(22)平行；同一个单元结构中“U”形金属结构(21)竖直部分与“l”形金属结构(22)的横向中分线重合；“U”形金属结构(21)竖直部分的边缘与“l”形金属结构(22)边缘的间距为4～100微米，相邻单元结构的“U”形金属结构(21)的竖直部分的边缘与“l”形金属结构(22)边缘的间距为4～100微米；“U”形和“l”形金属结构(21、22)的线宽相等，为4～8微米；

基于等离子器件的透射型太赫兹波编码系统包括太赫兹源、太赫兹接收器以及位于太赫兹源和太赫兹接收器之间的太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器为本基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，所述太赫兹波编码器置于样品架上，所述样品架为可围绕Y轴或者Z轴旋转的可调节架；

所述太赫兹源发出的太赫兹波沿X轴方向偏振并沿Z轴方向的光路传播，经过所述太赫兹编码器透射，到达另一侧的太赫兹接收器；所述太赫兹编码器的二维阵列所处的面朝向太赫兹源；二维阵列的纵向平分线与单元结构的“l”形金属结构平行，二维阵列的纵向平分线和横向平分线相交于三维坐标原点；

所述编码器的二维阵列所处的面保持与光轴垂直，二维阵列沿Z轴旋转后，其横向平分线与X轴的交角为天顶角θ；所述编码器的二维阵列的纵向平分线保持与太赫兹波的偏振方向垂直，二维阵列沿Y轴旋转后，其横向平分线与X轴的交角为方位角φ；

当保持所述编码器的二维阵列所处的面与光轴垂直、方位角φ＝0°，编码器沿Z轴旋转、天顶角θ为不同值时，或者保持所述编码器的二维阵列的纵向平分线与太赫兹波的偏振方向垂直、天顶角θ＝0°，编码器沿Y轴旋转、方位角φ为不同值时，对应的高频段和低频段的透射率不同。

2.根据权利要求1所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述金属结构为金层、银层、铜层和铝层中的任一种，厚度为0.05～0.5微米。

3.根据权利要求1所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述“U”形金属结构(21)竖直部分的高度为20～200微米，水平部分的长度为20～200微米，“l”形金属结构(22)高度为20～200微米。

4.根据权利要求3所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述“U”形金属结构(21)竖直部分的高度等于或小于“l”形金属结构(22)的高度，二者的差为0～100微米。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述单元结构正方形的边长为32～300微米。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述硅衬底(1)厚度为100～1000微米。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述硅衬底(1)顶面的中心与所述二维阵列(2)的中心重合，所述硅衬底(1)顶面的面积大于所述二维阵列(2)的面积，所述二维阵列(2)的边缘与所述硅衬底(1)顶面相邻边的距离大于100微米。

8.根据权利要求7所述的基于等离子器件的透射型太赫兹波编码器，其特征在于：

所述硅衬底(1)顶面二维阵列(2)外侧的某个角有标志(3)，该标志(3)为与各金属结构相同的金属层。

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