CN110718754B - 一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电光调制器的金属‑硅微纳米线锥形复合天线，通过设计锥形金属薄膜层与硅微纳米线的复合结构，利用硅微纳米线的小尺寸优势和漏模响应实现对高频及特高频电场的测量，利用硅微纳米线可以收集100至500倍其截面范围内电场的超广域电场收集能力来提高天线对周围电场的响应能力，提高了锥形天线的调制带宽、提高了天线对高频电场的响应能力，使电光调制器不仅适用于常见低频电场的收集，还可用于特定高频电场特殊领域的测量。

Description

一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线及其 制备方法
技术领域
本发明涉及光波导电场传感器技术领域，尤其涉及一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线。
背景技术
自二十世纪六七十年代集成光学诞生以来，光学传感与测量技术快速发展，基于晶体电光效应制成的光波导电场传感器以其优异的抗电磁干扰能力、绝缘性、非侵入性等诸多优点为电场测量领域开辟了新的道路。
目前对电光调制器的研制，较常见的方法是以铌酸锂晶体作为基底，通过质子交换技术或钛扩散技术在铌酸锂晶体表面形成具有M-Z型干涉结构的条形光波导，入射光经被测电场的调制产生相位延迟，通过干涉将相位变化转换为光强度变化进而实现对电场的监测。其中，被测电场对信号光的调制，依赖于天线接收电场信号，并感应产生调制电压施加在光波导上，从而实现被测电场对光信号的调制。可见，天线对空间电场的接受能力对于光波导电光调制器的影响是巨大的，因此，设计一种具有高带宽、高灵敏度的天线具有重要意义。
现有技术天线类型有：偶极子天线、锥形天线和对数周期天线等。使用金属Au等材料制成的锥形天线，其阻抗从锥状的底端到尖端逐渐增大，这样便形成了行波天线，这种结构的优势在于可大大减小甚至消除天线尖端的反射电流，从而避免驻波的形成，与偶极子天线和对数周期天线相比，大大提高了天线的电场感应能力。但受到天线自身材质和尺寸的影响，常见的金属锥形天线仅适用于频率范围1GHz至10GHz的电场信号，带宽低，限制了锥形天线在高频段特定电场信号中的应用。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线，通过设计锥形天线与硅微纳米线的复合结构，利用硅微纳米线的小尺寸优势和漏模响应实现对高频及特高频电场的测量，利用硅微纳米线可以收集100至500倍其截面范围内电场的超广域电场收集能力来提高天线对周围电场的响应能力，提高了锥形天线的调制带宽、提高了天线对高频电场的响应能力，使电光调制器不仅适用于频率范围1GHz至10GHz的低频电场的收集，还可用于频率范围10至1000THz的特定高频电场特殊领域的测量。
为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：
一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线，包括锥形硅结构主体和金属薄膜层；
所述锥形硅结构主体为单晶硅材料制作的具有与电光调制器上表面平行的内外两个三角形表面的扁平锥形体；内表面朝向电光调制器和电光调制器的波导结构，外表面与内表面相对，朝向外部；内表面与外表面之间由三个侧面相连接，所述三个侧面的面积均小于内表面或外表面的面积；所述锥形硅结构主体的外表面通过化学刻蚀法制作有硅微纳米线结构；所述硅微纳米线结构为硅纳米线和硅微米柱复合阵列，且所述硅纳米线和硅微米柱的顶部具有材质为Au的帽状结构；
所述金属薄膜层为镀制在锥形硅结构主体内表面的金属Au薄膜，且所述金属薄膜层与电光调制器的波导结构电极电气连接。
进一步地，所述锥形硅结构主体厚度为350微米。
进一步地，所述镀制在锥形硅结构主体内表面的金属Au薄膜厚度为60纳米至80纳米。
进一步地，所述硅纳米线和硅微米柱复合阵列中硅微米柱直径为5至10微米、长度为 20至24微米，硅纳米线直径为80至300纳米、长度为12至16微米；所述硅微米柱的填充率为1×104至5×104cm-2，所述硅纳米线的填充率为3×109至8×109cm-2，数量较多的硅纳米线环绕设置在数量较少的硅微米柱四周形成复合阵列结构。
进一步地，所述复合天线表面的垂直投影为底边长0.5毫米、高6毫米的等腰三角形。
进一步地，所述复合天线的金属薄膜层通过导电胶固定连接在电光调制器的波导结构电极上，且波导结构两侧的两个电极各分别连接有一个所述复合天线。
一种制备金属-硅微纳米线锥形复合天线的方法，包括以下步骤：
S1、清洗硅晶圆片，将一定浓度的KMnO4引入AgNO3与HF溶液形成刻蚀液，把清洗后的硅晶圆片浸入刻蚀液；产物K2SiF6溶度积超过6.3×10-7mol3dm-9时自析出并形成微米粒子，进而充当刻蚀的掩模层；通过刻蚀时间调整控制刻蚀过程，在硅晶圆片的其中一面上成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列；
S2、通过真空蒸发镀膜法在硅晶圆片成型有硅纳米线和硅微米柱复合阵列的表面镀制3 纳米厚度的金属Au膜，并对镀膜后的表面进行退火工艺处理，使硅纳米线和硅微米柱顶部尖端形成材质为Au的帽状结构，形成锥形硅结构主体的外表面；在没有成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面镀制60纳米至80纳米厚度的金属Au膜形成金属薄膜层，形成锥形硅结构主体的内表面；
S3、将硅晶圆片生长有硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面朝上放置，通过激光切割为底边长0.5毫米、高6毫米的三角形，即得到所需的复合天线。
进一步地，所述步骤S1还包括通过更改刻蚀工艺参数控制硅微纳米线结构的形貌和/或尺寸。
本发明的有益效果为：
采用本发明所述用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线，通过设计锥形金属薄膜层与硅微纳米线的复合结构，将硅微纳米线的优异性能与金属锥形天线的优点相结合，实现了对传统金属锥形天线的改进。利用硅微纳米线的小尺寸优势和漏模响应实现对高频及特高频电场的测量，利用硅微纳米线可以收集100至500倍其截面范围内电场的超广域电场收集能力来提高天线对周围电场的敏感度；并通过制备尺寸不完全相同的硅纳米线和硅微米柱复合阵列，提高了锥形天线的调制带宽，提高了天线对高频电场的响应能力。大幅改进了天线的工作频率范围和性能，提升被测电场对光波导电光调制器中信号光的调制能力，使电光调制器不仅适用于常见低频电场的收集，还可用于某些高频特殊领域的测量。
附图说明
图1为本发明用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线的侧视示意图。
图2为本发明用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线的俯视示意图。
图3为本发明用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线的剖面示意图。
附图编号说明：1-金属-硅微纳米线锥形复合天线、11-锥形硅结构主体、12-金属薄膜层、13- 硅微纳米线结构、2-电光调制器、21-波导结构、22-波导结构电极。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。
如图1所示为本发明用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线的侧视示意图，包括固定设置在电光调制器2的波导结构电极22上的金属-硅微纳米线锥形复合天线1；其中电光调制器2上所设置的波导结构21带有两个波导结构电极22分立在波导结构21两侧，每个波导结构电极22均安装设置有一个金属-硅微纳米线锥形复合天线1。结合图3所示金属- 硅微纳米线锥形复合天线1的剖面示意图，金属-硅微纳米线锥形复合天线1由厚度为350微米的锥形硅结构主体11、设置在锥形硅结构主体11朝向电光调制器2的内表面上的金属薄膜层12以及生长在锥形硅结构主体11朝向外部的外表面上的硅微纳米线结构13组成。其中，金属薄膜层12与波导结构电极22通过导电胶电气连接并固定金属-硅微纳米线锥形复合天线 1；硅微纳米线结构13为锥形硅结构主体外表面的硅纳米线和硅微米柱复合阵列，其中硅微米柱直径为5只10微米、长度为20至24微米，硅纳米线直径为80至300纳米、长度为12 至16微米；所述硅微米柱的填充率为1×104至5×104cm-2，所述硅纳米线的填充率为3×109至8×109cm-2，数量较多的硅纳米线环绕设置在数量较少的硅微米柱四周形成复合阵列结构；所述硅纳米线和硅微米柱顶部是材质为Au的帽状结构。
如图2所示为本发明用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线的俯视示意图，金属-硅微纳米线锥形复合天线1设置在波导结构电极22上，且金属-硅微纳米线锥形复合天线 1的表面投影形状为底边长0.5毫米、高6毫米的等腰三角形，所述三角形的底边部分与波导结构电极22通过导电胶电气连接并固定。
本发明还涉及一种制备金属-硅微纳米线锥形复合天线的方法，包括以下步骤：
S1、选用直径3英寸的硅晶圆片，清洗硅晶圆片，将一定浓度的KMnO4引入AgNO3与HF溶液形成刻蚀液，把清洗后的硅晶圆片浸入刻蚀液；产物K2SiF6的溶度积超过6.3×10-7mol3dm-9时自析出，形成微米粒子进而充当掩模材料；通过刻蚀时间在15min至90min内调整控制刻蚀过程，在硅晶圆片的其中一个面上成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列；通过调整反应物浓度和反应时间可以控制硅微纳米线结构的形貌和/或尺寸以得到不同结构；
S2、通过真空蒸发镀膜法在硅晶圆片成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面镀制3纳米厚度的金属Au膜，并对镀膜后的面进行退火工艺处理，使硅纳米线和硅微米柱顶部尖端形成材质为Au的帽状结构，形成锥形硅结构主体的外表面；在没有成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面镀制60纳米至80纳米厚度的金属Au膜形成金属薄膜层，形成锥形硅结构主体的内表面；
S3、将硅晶圆片生长有硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面朝上放置，通过激光切割为底边长0.5毫米、高6毫米的三角形，即得到所需的复合天线。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于电光调制器的金属-硅微纳米线锥形复合天线，包括锥形硅结构主体和金属薄膜层；
所述锥形硅结构主体为单晶硅材料制作的具有与电光调制器上表面平行的内外两个三角形表面的扁平锥形体；内表面朝向电光调制器和电光调制器的波导结构，外表面与内表面相对，朝向外部；内表面与外表面之间由三个侧面相连接，所述三个侧面的面积均小于内表面或外表面的面积；所述锥形硅结构主体的外表面通过化学刻蚀法制作有硅微纳米线结构；所述硅微纳米线结构为数量较多的硅纳米线环绕设置在数量较少的硅微米柱四周形成的复合阵列结构，且所述硅纳米线和硅微米柱的顶部具有材质为Au的帽状结构；
所述金属薄膜层为镀制在锥形硅结构主体内表面的金属Au薄膜，且所述金属薄膜层与电光调制器的波导结构电极电气连接；
所述复合天线的金属薄膜层通过导电胶固定连接在电光调制器的波导结构电极上，且波导结构两侧的两个电极各分别连接有一个所述复合天线。
2.如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，所述锥形硅结构主体厚度为350微米。
3.如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，所述镀制在锥形硅结构主体内表面的金属Au薄膜厚度为60纳米至80纳米。
4.如权利要求1所述的复合天线，其特征在于，所述硅纳米线和硅微米柱复合阵列中硅微米柱直径为5至10微米、长度为20至24微米，硅纳米线直径为80至300纳米、长度为12至16微米；所述硅微米柱的填充率为1×104至5×104cm-2，所述硅纳米线的填充率为3×109至8×109cm-2。
5.如权利要求1至4任一项所述的复合天线，其特征在于，所述复合天线表面的垂直投影为底边长0.5毫米、高6毫米的等腰三角形。
6.一种制备金属-硅微纳米线锥形复合天线的方法，包括以下步骤：
S1、清洗硅晶圆片，将一定浓度的KMnO4引入AgNO3与HF溶液形成刻蚀液，把清洗后的硅晶圆片浸入刻蚀液；产物K2SiF6溶度积超过6.3×10-7mol3dm-9时自析出并形成微米粒子，进而充当刻蚀的掩模层；通过刻蚀时间调整控制刻蚀过程，在硅晶圆片的其中一面上成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列；
S2、通过真空蒸发镀膜法在硅晶圆片其中成型有硅纳米线和硅微米柱复合阵列的表面镀制3纳米厚度的金属Au膜，并对镀膜后的表面进行退火工艺处理，使硅纳米线和硅微米柱顶部尖端形成材质为Au的帽状结构，形成锥形硅结构主体的外表面；在没有成型硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面镀制60纳米至80纳米厚度的金属Au膜形成金属薄膜层，形成锥形硅结构主体的内表面；
S3、将硅晶圆片生长有硅纳米线和硅微米柱复合阵列的一面朝上放置，通过激光切割为底边长0.5毫米、高6毫米的三角形，即得到所需的复合天线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括通过更改刻蚀工艺参数控制硅微纳米线结构的形貌和/或尺寸。
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