CN110401496B - 一种透射型太赫兹波2bit编码器件、方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种透射型太赫兹波2bit编码器件，包括：衬底；设置于衬底上且由周期性排列的多个结构单元组成的二维阵列；每个结构单元包括金属层；金属层上设置有镂空的第一方形槽、第二方形槽、第一环形槽和第二环形槽；第一方形槽、第二方形槽、第一环形槽和第二环形槽的中心依次连接形成一正四边形；在第一方形槽和第二方形槽均具有第一半导体块和第一缺口，第一环形槽和第二环形槽具有第二半导体块和第二缺口。本发明提出了适用于太赫兹通信领域的编码器件，很好的满足了太赫兹通信所需的要求，因为脉冲激光激发的载流子寿命极短，仅有数十个皮秒，使得编码的速度理论上限可达皮秒量级，目前方案的速度受限于高速数字微镜的编码速率。

Description

一种透射型太赫兹波2bit编码器件、方法及系统

技术领域

本发明涉及太赫兹通信领域，尤其是涉及一种透射型太赫兹波2bit编码器件、方法及系统。

背景技术

太赫兹是频率为0.1THz～10THz的电磁波，在电磁波谱上介于红外和微波之间。利用超材料可以实现对太赫兹波的人为调控，太赫兹作为通信手段，相比于现有的短波、微波通信具有更高的传输带宽和更大的信道容量，穿透性较强，传输方向性更优，信息传输的安全性相对提高。随着对通信需求的增加，太赫兹通信相关的技术急需发展，而相关的通信器件是研究的重点。并且在近地轨道和高轨道空间的星间通信中，真空条件下没有了大气传输窗口的限制，太赫兹通信会有更好的应用前景。

据报道，目前太赫兹调控手段大多使用多层三维的金属结构，由许多的频率选择表面构成，这类结构对制作工艺提出了较大的挑战，制造上具有较高的难度与价格。此外，也有通过超表面对太赫兹波进行控制的方案，利用可编程门阵列控制超编面的结构，对照射到超表面上的太赫兹波的空间方向图进行调制，实现了多位数字编码。但该编码方案的对光路的需求严格，因为对电磁波的方向图进行调制，需要改变接收器的位置才能检测不同的编码信息，在太赫兹通信中短时间难以应用。还有部分编码器件采用机械的方式进行编码控制，编码速率受到机械结构的极大限制，对太赫兹通信的效率影响较大。

随着通信技术的不断发展，在太赫兹通信方面，急需要一种对制作工艺要求不高、结构简单、编码速度快、效率高的太赫兹编码器件。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种透射型太赫兹波2bit编码器件、方法及系统，可以实现太赫兹电磁波的双位编码功能，并具有响应时间短，编码速度快，高信噪比等优点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种透射型太赫兹波2bit编码器件，该编码器件包括：

衬底；

设置于所述衬底上且由周期性排列的N×N个结构单元组成的二维阵列；

每个所述结构单元包括金属层，所述金属层的中心为一uv坐标系的原点，所述uv坐标系的u轴和v轴将所述金属层分割为大小相等的四个方形区域；

所述金属层上设置有镂空的第一方形槽、第二方形槽、第一环形槽和第二环形槽；所述第一方形槽、第一环形槽、第二方形槽和第二环形槽的中心依次连接形成一正四边形；

所述第一方形槽位于所述uv坐标系的第二象限内且关于第二象限的角平分线对称；所述第一环形槽位于第一象限内，所述第一环形槽为一对称结构，其对称轴穿过所述第一环形槽的中心且垂直于第一象限的角平分线；

靠近所述uv坐标系原点的所述第一方形槽的顶点处具有第一缺口，所述uv坐标系的第二象限的角平分线穿过所述第一缺口，第一方形槽的相连接的两条边的中点处各设置有一个第一半导体块，两个所述第一半导体块关于第二象限的角平分线对称；

所述第一环形槽具有关于第一象限的角平分线对称的第二缺口和第二半导体块，且第一环形槽的对称轴穿过所述第二缺口和第二半导体块；

所述第二方形槽由第一方形槽沿第四象限的角平分线平移形成，所述第二环形槽由第一环形槽沿第三象限的角平分线平移形成。

可选地，所述衬底为蓝宝石衬底。

可选地，所述蓝宝石衬底的厚度为100～1000微米。

可选地，所述第一半导体块与所述第二半导体块的厚度相等且大于或等于所述金属层的厚度。

可选地，所述金属层的厚度0.1～0.5微米。

可选地，所述第一半导体的厚度与所述第二半导体块的厚度均为0.5～1.4微米。

可选地，所述第一方形槽与所述第二方形槽的外边长为3～450微米，内边长为2～280微米，第一缺口宽度为1～100微米，第一半导体块的长度为1～100微米。

可选地，所述第一环形槽与第二环形槽的外径为5～170微米，内径为1～70微米，第二缺口的宽度为4～100微米。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种利用所述的透射型太赫兹波2bit编码器件进行编码的方法，该方法包括：

控制激光照射编码器件表面的不同位置；

当没有激光照射到第一半导体块和第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”；

当激光照亮第一半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”；

当激光照亮第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”；

当激光同时照亮所述第一半导体块和所述第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种透射型太赫兹波2bit编码系统，该编码系统包括：

所述的透射型太赫兹波2bit编码器件、高速数字微镜系统和激光器；

所述激光器发出的激光经过所述高速数字微镜系统反射后，照射到所述编码器件的表面，经过所述编码器件透射的太赫兹波即完成了编码；

当没有激光照射到第一半导体块和第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”；

当激光照亮第一半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”；

当激光照亮第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”；

当激光同时照亮所述第一半导体块和所述第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”。

如上所述，本发明的一种透射型太赫兹波2bit编码器件、方法及系统，具有以下有益效果：

本发明提出了适用于太赫兹通信领域的编码器件，很好的满足了太赫兹通信所需的要求，因为脉冲激光激发的载流子寿命极短，仅有数十个皮秒，使得编码的速度理论上限可达皮秒量级，目前方案的速度受限于高速数字微镜的编码速率。

本发明采用带通的方式对太赫兹波进行编码，对不参与传输的频率部分进行屏蔽，极大的避免了在信号在信道中传输时信号畸变对通信系统的影响，通信系统的具有较高的信噪比。

附图说明

为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。

图1为本发明一实施例中一种透射型的太赫兹编码器件的框图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明一实施例中一种透射型的太赫兹编码器件的结构单元的示意图；

图5为本发明一实施例中一种透射型的太赫兹编码器件的示意图；

图6为本发明一实施例中一种透射型的太赫兹编码器件的示意图；

图7为本发明一实施例中在没有激光照射时，结构对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”；

图8为本发明一实施例中当激光图案照亮方形开口环形半导体时，结构对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”；

图9为本发明一实施例中当激光图案照亮圆环半导体时，结构对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”；

图10为本发明一实施例中当激光图案将结构上的半导体全部照亮时，结构对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”；

图11为本发明一实施例中太赫兹透射谱的示意图；

图12为本发明一实施例中编码系统的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

一方面，本实施例提供一种透射型太赫兹波2bit编码器件，如图1～6所示，该编码器件包括：

衬底2；

设置于所述衬底上且由周期性排列的N×N个结构单元组成的二维阵列；

每个所述结构单元包括金属层，所述金属层的中心为一uv坐标系的原点，所述uv坐标系的u轴和v轴将所述金属层分割为大小相等的四个方形区域；

所述金属层上设置有镂空的第一方形槽31、第二方形槽32、第一环形槽33和第二环形槽34；所述第一方形槽、第一环形槽、第二方形槽和第二环形槽的中心依次连接形成一正四边形；

所述第一方形槽位于所述uv坐标系的第二象限内且关于第二象限的角平分线对称；所述第一环形槽位于第一象限内，所述第一环形槽为一对称结构，其对称轴穿过所述第一环形槽的中心且垂直于第一象限的角平分线；

靠近所述uv坐标系原点的所述第一方形槽的顶点处具有第一缺口312，所述uv坐标系的第二象限的角平分线穿过所述第一缺口，第一方形槽的相连接的两条边的中点处各设置有一个第一半导体块311，两个所述第一半导体块关于第二象限的角平分线对称；

所述第一环形槽具有关于第一象限的角平分线对称的第二缺口332和第二半导体块331，且第一环形槽的对称轴穿过所述第二缺口和第二半导体块；

所述第二方形槽由第一方形槽沿第四象限的角平分线平移形成，所述第二环形槽由第一环形槽沿第三象限的角平分线平移形成。

于一实施例中，所述衬底为蓝宝石衬底，其厚度为100～1000微米。蓝宝石衬底顶面的中心与所述二维阵列的中心重合。

于一实施例中，所述第一半导体块与所述第二半导体块的厚度相等且大于或等于所述金属层的厚度，金属层的厚度0.1～0.5微米，金属层的材料包括但不限于铝、金、银、铜等其中的一种，特点是导电性能好，相对稳定不易氧化。半导体块材料使用本征半导体、可以是纯净的硅单质也可以是锗等四族元素以及其他具有相似特性的材料，为保证开关的性能一般不用参杂半导体。

于一实施例中，所述第一半导体的厚度与所述第二半导体块的厚度均为0.5～1.4微米。

于一实施例中，所述第一方形槽与所述第二方形槽的外边长为3～450微米，内边长为2～280微米，第一缺口宽度为1～100微米，第一半导体块的长度为1～100微米。

于一实施例中，所述第一环形槽与第二环形槽的外径为5～170微米，内径为1～70微米，第二缺口的宽度为4～100微米。

优选地，第一环形槽和第二环形槽的外径选择125微米，内径70微米，缺口的开口宽度为80微米，半导体块的宽度为80微米。第一方形槽和第二方形槽的外边长320微米，内边长260微米，缺口60微米，半导体边长60微米。金属层厚度0.2微米，半导体厚度0.5微米，蓝宝石衬底厚度500微米。

于本实施例中，由于编码器件对入射的太赫兹波的偏振方向有要求，在编码器件的右上角有圆形标记1，使用时应注意安装正确。

于本实施例中，如图11所示，以透过率30为限定，透过率大于30％的认定为编码1，透过率不足30％的认定为编码0。

另一方面，本发明还提供一种利用所述的透射型太赫兹波2bit编码器件进行编码的方法，该方法包括：

控制激光照射编码器件表面的不同位置；

当没有激光照射到第一半导体块和第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”，如图7所示；

当激光照亮第一半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”，如图8所示；

当激光照亮第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”，如图9所示；

当激光同时照亮所述第一半导体块和所述第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”，如图10所示。

本发明所述的编码器件原理上是一种太赫兹波的开关，开关的开闭决定接收端是否接受得到太赫兹信号，类比于电路中使用高电平表示接通、低电平表示断开。这里，太赫兹信号幅值高于判定阈值表示一种状态、低于判定阈值表示另一种状态，本发明提出的结构相当于两个并行的开关，相互独立对不同频率的太赫兹进行控制，从而实现太赫兹的2位编码功能。

再一方面，为了便于描述编码器件的结构，可以建立uvw和xyz两套直角坐标系。xyz坐标系是绝对坐标系，蓝宝石衬底的底面中心位于xyz坐标系的原点。uvw坐标系是相对坐标系，坐标系原点在蓝宝石衬底顶面所在的平面内，w轴方向同z轴，u轴与x轴、v轴与y轴呈315/-45度夹角。

选取uvw坐标系下的uv平面，坐标轴uv将该平面分割为四个象限。

选取第一象限坐标轴的角平分线上的一点a，以a点为圆心作一圆环，外径比内径稍大一些，外圆不超出第一象限。在圆环上，垂直于第一象限角平分线的方向，圆环有一个开口向第四象限的缺口，构成一个有开口的不完整圆环。环形槽是一个镂空的结构，阴影用来表示被镂空后露出的衬底。在与圆环开口关于第一象限角平分线对称的位置填补一块与圆环开口大小相当的半导体，半导体稍厚于金属层。

选取第二象限坐标轴的角平分线上的一点b，b点与a点关于坐标轴对称。以b点为图形中心，构建一对中心重合、边长相差不多的正方形，大正方形的边不超出第二象限。使用布尔/进行布尔运算，大正方形减去小正方形，构成一个方形槽。在方形槽上，沿第二象限角平分线的方向，方形槽有一个开口朝向第四象限的缺口，构成一个有开口的不完整方形槽。开口方形槽是一个镂空结构，阴影用来表示被镂空后露出的衬底。在开口方形槽v+方向的边的中点与u-方向的边的中点分别填补一块大小适中的半导体，半导体的厚度稍厚于金属层。

将第一象限的结构单元沿着第一象限的角平分线平移到第三象限与第一象限关于原点对称的位置。

将第二象限的结构单元沿着第二象限的角平分线平移到第四象限与第二象限关于原点对称的位置。

使用这四个图形，构成了本发明提出的器件的结构单元。将该结构单元，沿着uvw坐标系的u方向和v方向进行周期延伸，组成太赫兹编码器件的复合超表面。

在一个实例中，第一环形槽和第二环形槽的外径选择125微米，内径70微米，缺口的开口宽度为80微米，半导体块的宽度为80微米。第一方形槽和第二方形槽的外边长320微米，内边长260微米，缺口60微米，半导体边长60微米。金属层厚度0.2微米，半导体厚度0.5微米，蓝宝石衬底厚度500微米。

于一实施例中，本发明提出的太赫兹调控方法采用激光主动控制，激光光源采用脉冲激光，激光经过高速数字微镜系统为激光光束添加照射图案，控制激光照射结构表面的不同位置。当激光照射太赫兹编码器件表面的半导体时，半导体被激发出大量的载流子，半导体的电导率在皮秒量级的时间里达到数万以上，原有的电磁响应结构发生改变，太赫兹编码器件的通带频率发生改变，原本透射的太赫兹无法透射，实现一个开关的功能。

本发明无需设计额外的光路，如图12所示，太赫兹波11直接照射太赫兹编码器件12即可进行对太赫兹波进行编码。高速数字微镜系统13置于芯片正面同侧，激光器14置于相反方向，激光器14发出的激光经过高速数字微镜系统13反射后，照射到太赫兹编码器件12的表面，经过太赫兹编码器件12透射的太赫兹波15即完成了编码。

本发明提出的太赫兹编码器件能够对两段不同的频率的太赫兹波进行分别进行调控，两透射窗口之间不相互干扰。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，该编码器件包括：

衬底；

设置于所述衬底上且由周期性排列的N×N个结构单元组成的二维阵列；

每个所述结构单元包括金属层，所述金属层的中心为一uv坐标系的原点，所述uv坐标系的u轴和v轴将所述金属层分割为大小相等的四个方形区域；

所述金属层上设置有镂空的第一方形槽、第二方形槽、第一环形槽和第二环形槽；所述第一方形槽、第一环形槽、第二方形槽和第二环形槽的中心依次连接形成一正四边形；

所述第一方形槽位于所述uv坐标系的第二象限内且关于第二象限的角平分线对称；所述第一环形槽位于第一象限内，所述第一环形槽为一对称结构，其对称轴穿过所述第一环形槽的中心且垂直于第一象限的角平分线；

靠近所述uv坐标系原点的所述第一方形槽的顶点处具有第一缺口，所述uv坐标系的第二象限的角平分线穿过所述第一缺口，第一方形槽的相连接的两条边的中点处各设置有一个第一半导体块，两个所述第一半导体块关于第二象限的角平分线对称；

所述第一环形槽具有关于第一象限的角平分线对称的第二缺口和第二半导体块，且第一环形槽的对称轴穿过所述第二缺口和第二半导体块；

所述第二方形槽由第一方形槽沿第四象限的角平分线平移形成，所述第二环形槽由第一环形槽沿第三象限的角平分线平移形成；

所述的透射型太赫兹波2bit编码器件进行编码的方法包括：

控制激光照射编码器件表面的不同位置；

当没有激光照射到第一半导体块和第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”；

当激光照亮第一半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”；

当激光照亮第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”；

当激光同时照亮所述第一半导体块和所述第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”。

2.根据权利要求1所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。

3.根据权利要求2所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述蓝宝石衬底的厚度为100～1000微米。

4.根据权利要求1所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述第一半导体块与所述第二半导体块的厚度相等且大于或等于所述金属层的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述金属层的厚度0.1～0.5微米。

6.根据权利要求1或5所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述第一半导体的厚度与所述第二半导体块的厚度均为0.5～1.4微米。

7.根据权利要求1所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述第一方形槽与所述第二方形槽的外边长为3～450微米，内边长为2～280微米，第一缺口宽度为1～100微米，第一半导体块的长度为1～100微米。

8.根据权利要求1所述的一种透射型太赫兹波2bit编码器件，其特征在于，所述第一环形槽与第二环形槽的外径为5～170微米，内径为1～70微米，第二缺口的宽度为4～100微米。

9.一种透射型太赫兹波2bit编码系统，其特征在于，该编码系统包括：

如权利要求1～8任意一项所述的透射型太赫兹波2bit编码器件、高速数字微镜系统和激光器；

所述激光器发出的激光经过所述高速数字微镜系统反射后，照射到所述编码器件的表面，经过所述编码器件透射的太赫兹波即完成了编码；

当没有激光照射到第一半导体块和第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波双频窗口透射，编码为“11”；

当激光照亮第一半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波高频窗口透射，编码为“01”；

当激光照亮第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波低频窗口透射，编码为“10”；

当激光同时照亮所述第一半导体块和所述第二半导体块时，所述器件对入射的太赫兹波均不透过，编码为“00”。