CN108363119B - 一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属‑介质超材料结构的器件，包括介质层和金属层，金属层镀于介质层的一个表面。金属层中呈周期性排列有多个第一区域。当多个第一区域为未镀金属区域时，金属层中除多个第一区域之外的第二区域为镀金属区域；当多个第一区域为镀金属区域时，金属层中除多个第一区域之外的第二区域为未镀金属区域。由以上可见，只需要将金属层镀于介质层的一个表面，即可实现本发明实施例提供的太赫兹频段的金属‑介质超材料结构的器件，能够降低太赫兹频段的多层金属‑介质超材料结构的器件的加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱器件技术领域，特别是涉及一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件。
背景技术
太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3THz～3THz(或波长在0.1mm～1mm)的电磁波，其频率位于微波毫米波与红外线之间。超材料又叫人工电磁材料、左手材料，是指电磁参数(介电常数和磁导率)可人为控制的一类人工复合周期结构。由于超材料结构独特的物理性质，近些年来，太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件得到了广泛发展和应用，上述器件可以是滤波器、传感器或其他器件。但是，通常上述器件由三层或三层以上的结构组成，包括多个介质层和多个金属层。
发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在如下问题：
一方面，现有技术中，太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的多个金属层分别位于介质层的不同表面，多个金属层的形状相同。在加工时，需要在介质层的不同表面加工多个金属层，如果介质层的透明度低，很难对齐多个金属层。另一方面，由于太赫兹波段要求介质层的厚度较薄，通常为几百微米量级，在介质层的双面加工金属层时，很容易导致介质层破碎。由以上可见，现有技术中，太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构的器件加工难度较大。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，以降低太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构的器件的加工难度。具体技术方案如下：
为了达到上述目的，本发明实施例公开了一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，器件包括介质层和金属层，所述金属层镀于所述介质层的一个表面；
所述金属层中呈周期性排列有多个第一区域；
当所述多个第一区域为未镀金属区域时，所述金属层中除所述多个第一区域之外的第二区域为镀金属区域；其中，所述第一区域为在预设宽度的正方形边框上，去除相邻两条边上对称位置的长为预设长度、宽为所述预设宽度的矩形区域得到的区域，所述预设长度小于所述正方形边框的边长；
当所述多个第一区域为镀金属区域时，所述金属层中除所述多个第一区域之外的第二区域为未镀金属区域。
可选的，所述多个第一区域的周期范围为50um～500um。
可选的，所述介质层的厚度大于1um。
可选的，所述金属层的厚度大于150nm。
可选的，所述介质层的材料为石英、硅、蓝宝石、有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅。
可选的，所述金属层的金属为铝、金或银。
可选的，所述金属层的金属通过热蒸发沉积法镀于所述介质层的表面。
可选的，所述未镀金属区域通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割法形成。
本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件包括介质层和金属层，金属层镀于介质层的一个表面。金属层中呈周期性排列有多个第一区域。当多个第一区域为未镀金属区域时，金属层中除多个第一区域之外的第二区域为镀金属区域。当多个第一区域为镀金属区域时，金属层中除多个第一区域之外的第二区域为未镀金属区域。由以上可见，只需要将金属层镀于介质层的一个表面，即可实现本发明实施例提供的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，能够降低太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构的器件的加工难度。
当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的一个周期单元的侧视图；
图2为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的侧视图；
图3为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的一个周期单元的侧视图；
图4为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的侧视图；
图5为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件x、y线极化波模拟和实验传输曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的加工样本的电子显微镜图片；
图7为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的x、y线极化波模拟和实验传输曲线图；
图8为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的加工样本的电子显微镜图片。
具体实施方式
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描述。
现有技术中，太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，如宽带带通滤波器通常由多个介质层和多个金属层构成，多个金属层分别位于介质层的不同表面，多个金属层的形状相同。在加工时，需要对齐多个金属层，如果介质层透明度较低，很难对齐多个金属层。另一方面，在介质层的双面加工金属层时很容易造成介质层破碎。由以上可见，太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构的器件的加工难度较大。
本发明实施例公开了一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，只需要将金属层镀于介质层的一个表面，即可实现本发明实施例提供的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，该器件具有极化不敏感的宽带带通滤波特性或极化不敏感电磁诱导透明特性，且能够降低太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构器件的加工难度。
参见图1，图1为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的一个周期单元的侧视图。
图1中，该周期单元(可以称为第一单元)整体上为正方形的板状结构，第一单元的周期可以用P表示，即第一单元的上表面的边长。第一单元包括金属层和介质层，介质层为第一单元中位于下方的正方形板状结构，其厚度可以用t1表示。金属层与介质层的上表面相接，厚度可以用t2表示。金属层中的第一区域为未镀金属区域，金属层中除第一区域外的区域为镀金属区域。第一区域为在预设宽度的正方形边框上，去除相邻两条边上对称位置的长为预设长度、宽为该预设宽度的矩形区域得到的区域，且预设长度小于正方形边框的边长。其中，预设宽度、预设长度可以由技术人员根据经验进行设置，预设宽度可以用w表示，预设长度可以用g表示。如图1所示，第一区域包括第一单元的上表面的两块白色区域，预设宽度w为白色区域的宽度，预设长度g为两个白色区域之间的最小距离。较小的白色区域为L形区域，且L型区域的两个边的长度相等，该L型区域的两个边的长度可以用S1表示。较大的白色区域包括两个互相垂直的矩形区域，和在垂直于这两个矩形区域的方向上分别向较小的白色区域延伸长S2的矩形区域。示例性的，P＝250um，t1＝261um，t2＝200nm，g＝28um，w＝30um，S1＝111um，S2＝11um。
根据图1的第一单元，可以得到一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，参见图2，图2为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的侧视图。
在实施中，该太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件(可称为第一器件)由7×7＝49个第一单元构成，且49个第一单元在同一平面上沿同一个方向周期排列。本发明实施例仅以49个第一单元构成的第一器件为例进行说明，在实际加工过程中，第一器件包含的第一单元的个数并不限于此。
当第一单元的第一区域为镀金属区域，金属层中除第一区域之外的区域为未镀金属区域，可以得到与第一单元互补的结构。参见图3，图3为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的一个周期单元的侧视图。
可以看出，该周期单元(可以称为第二单元)与第一单元的区别在于金属层不同。第二单元的金属层与第一单元的金属层互补，即第二单元的金属层中的镀金属区域为第一单元的金属层中的未镀金属区域，第二单元的金属层中的未镀金属区域为第一单元的金属层中的镀金属区域。第二单元的相关参数可以参考上述第一单元的介绍。
根据图3的第二单元，可以得到第一器件的互补结构，参见图4，图4为本发明实施例提供第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的侧视图。
在实施中，该太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件(可称为第二器件)由7×7＝49个第二单元构成，且49个第二单元在同一平面上沿同一个方向周期排列。本发明实施例仅以49个第二单元构成的第二器件为例进行说明，在实际加工过程中，第二器件包含的第二单元的个数并不限于此。
由以上可见，只需要将金属层镀于介质层的一个表面，即可实现本发明实施例提供的金属-超材料结构的器件，能够降低太赫兹频段的多层金属-介质超材料结构的器件的加工难度。
可选的，多个第一区域的周期范围为50um～500um。
在实施中，可以根据实际需要在50um～500um范围内选择，确定多个第一区域的周期。不同的周期，会影响太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的传输特性。优选的，多个第一区域的周期可以为250um。
可选的，介质层的厚度大于1um。
在实施中，介质层的厚度可以大于1um，也可以根据实际需要选择其他厚度。不同的介质层的厚度，会影响太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的传输特性。优选的，介质层的厚度可以为261um。
可选的，金属层的厚度大于150nm。
在实施中，金属层的厚度可以大于150nm，也可以根据实际需要选择其他厚度。不同的金属层的厚度，会影响太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的传输特性。优选的，金属层的厚度可以为200nm。
可选的，介质层的材料为石英、硅、蓝宝石、有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅。
在实施中，介质可以为石英、硅、蓝宝石、有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅。介质层不同的材质，会影响太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的传输特性。优选的，介质可以为石英，其介电常数可以为4.41，损耗角正切可以为0.0004。
可选的，金属层的金属为铝、金或银。
在实施中，金属层的金属可以为铝、金或银。金属层不同的材质，会影响太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件的传输特性。优选的，金属层的金属可以为铝，电导率σ可以为3.56×107S/m。
可选的，金属层的金属可以通过热蒸发沉积法镀于介质层的表面。
可选的，未镀金属区域通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割法形成。
在实施中，将金属镀于介质层的一个表面后，可以通过光刻法去除金属层中不需要镀金属的区域中的金属。
参见图5，图5为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件x、y线极化波模拟和实验传输曲线图。
在实施中，模拟采用的器件可以是图2中的第一器件，其中，多个第一区域的周期为250um，介质层的厚度为261um，介质为石英，其介电常数为4.41，损耗角正切为0.0004，金属层的厚度为200nm，金属层的金属为铝，其电导率可以为3.56×107S/m。
首先可以设置一个xyz坐标系，第一器件的金属层位于xy平面，z轴垂直于xy平面，z轴正方向指向第一器件的介质层所在的方向。可以用x线偏振光沿z轴正向垂直入射到第一器件表面后，得到x线偏振光的传输曲线Tx。同理，当y线偏振光沿z轴正向垂直入射到第一器件表面后，可以得到y线偏振光的传输曲线Ty。
利用微波高频仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)或三维电磁场仿真软件CST(Computer Simulation Technology，计算机仿真技术)进行模拟时，可以首先建立一个第一单元，然后，将x，y方向设置为周期边界条件，将z方向设置为开放边界条件，并作为入射和出射端口，可以得到传输曲线Tx和传输曲线Ty。
图5中的短划线表示模拟时的第一器件的传输曲线Tx，划线表示模拟时的第一器件的传输曲线Ty。横坐标表示频率，频率范围为0.1THz～0.6THz，纵坐标表示传输幅度。由图5可见，x线偏振光对应的传输曲线Tx和y线偏振光对应的传输曲线Ty重合。在中心频率0.4THz附近形成一个0.11THz的宽带带通滤波，对应的3dB相对带宽范围为28％。可以看出，第一器件具有太赫兹频段的极化不敏感的宽带带通滤波特性。
参见图6，图6为本发明实施例提供的一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构器件的加工样本的电子显微镜图片。
图6可以为第一器件对应的加工样品的电子显微镜图片。图5中实线表示第一器件对应的加工样品的x线偏振光对应的传输曲线Tx 1，点线表示第一器件对应的加工样品的y线偏振光对应的传输曲线Ty 1。由图5可见，第一器件对应的加工样品的实验结果，与第一器件的模拟结果基本一致。需要说明的是，由于加工误差以及实际使用的石英的损耗值比模拟值要大，或加工表面不光滑等原因，造成了实验结果的曲线和模拟结果的曲线不完全重合。
参见图7，图7为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构器件的x、y线极化波模拟和实验传输曲线图。
在实施中，模拟采用的器件可以是图4中的第二器件，其中，多个第一区域的周期为250um，介质层的厚度为261um，超材料为石英，其介电常数为4.41，损耗角正切为0.0004，金属层的厚度为200nm，金属层的金属为铝，其电导率可以为3.56×107S/m。
首先可以设置一个xyz坐标系，第二器件的金属层位于xy平面，z轴垂直于xy平面，z轴正方向指向第二器件的介质层所在的方向。当x线偏振光沿z轴正向垂直入射到第二器件表面后，得到x线偏振光的传输曲线Tx1。同理，当y线偏振光沿z轴正向垂直入射到第二器件表面后，可以得到y线偏振光的传输曲线Ty1。
利用微波高频仿真软件HFSS或三维电磁场仿真软件CST进行模拟时，可以首先建立一个第二单元，然后，将x，y方向设置为周期边界条件，将z方向设置为开放边界条件，并作为入射和出射端口，可以得到传输曲线Tx1和传输曲线Ty1。
图7中的短划线表示模拟时的第二器件的传输曲线Tx1，划线表示模拟时的第二器件的传输曲线Ty1。横坐标表示频率，频率范围为0.1THz～0.6THz，纵坐标表示传输幅度。由图7可见，x线偏振光对应的传输曲线Tx1和y线偏振光对应的传输曲线Ty1重合。在低传输峰值点0.27THz和0.41THz之间出现一个透射峰，峰值的频率和幅度分别为0.3THz和73％，可以看出，第二器件具有极化不敏感的电磁诱导透明特性，即在一个宽的非传输频带内形成一个较窄的透射峰。具有极化不敏感的电磁诱导透明特性的第二器件能够改变色散性质和减慢光速，在非线性器件、慢光器件、滤波器、传感器和光存储等方面都有重要应用。。
参见图8，图8为本发明实施例提供的第二种太赫兹频段的金属-介质超材料结构器件的电子显微镜图片。
图8可以为第二器件对应的加工样品的电子显微镜图片。图7中实线表示第二器件对应的加工样品的x线偏振光对应的传输曲线Tx1 1，点线表示第二器件对应的加工样品的y线偏振光对应的传输曲线Ty1 1。由图7可见，第二器件对应的加工样品的实验结果，与第二器件的模拟结果基本一致。需要说明的是，由于加工误差以及实际使用的石英的损耗值比模拟值要大，或加工表面不光滑等原因，造成了实验结果的曲线和模拟结果的曲线不完全重合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件包括介质层和金属层，所述金属层镀于所述介质层的一个表面；
所述金属层中呈周期性排列有多个第一区域；
当所述多个第一区域为未镀金属区域时，所述金属层中除所述多个第一区域之外的第二区域为镀金属区域；其中，所述第一区域为在预设宽度的正方形边框上，去除相邻两条边上对称位置的长为预设长度、宽为所述预设宽度的矩形区域得到的区域，所述预设长度小于所述正方形边框的边长。
2.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述多个第一区域的周期范围为50um～500um。
3.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述介质层的厚度大于1um。
4.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述金属层的厚度大于150nm。
5.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述介质层的材料为石英、硅、蓝宝石、有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅。
6.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述金属层的金属为铝、金或银。
7.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述金属层的金属通过热蒸发沉积法镀于所述介质层的表面。
8.根据权利要求1所述的太赫兹频段的金属-介质超材料结构的器件，其特征在于，所述未镀金属区域通过光刻法、化学刻蚀法或激光切割法形成。
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