CN111641010A

CN111641010A - 一种太赫兹波段温控开关器件

Info

Publication number: CN111641010A
Application number: CN202010542796.9A
Authority: CN
Inventors: 银珊; 李洪阳; 黄巍; 张文涛; 曾启林; 熊显名; 张玉婷; 杜浩; 张丽娟
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2020-09-08

Abstract

本发明提供的是一种太赫兹波段温控开关器件。其特征是：它由基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4组成。通过明模谐振器2、暗模谐振器3在基底1上与太赫兹波发生作用，在传输图中产生透明窗口，此状态为温控开关器件的“开”状态，温控半导体4填充在暗模谐振器3掏空的位置，当环境温度从200K上升到240K时，由于温控半导体4的电导率增加，使暗模谐振器3的阻尼率突增，影响明模谐振器2和暗模谐振器3之间的共振，传输图中的透明窗口消失，只有一个较大的共振峰，此状态为温控开关器件的“关”状态。本发明可用于实现太赫兹波通过与否的调控，可广泛用于太赫兹通信等领域。

Description

一种太赫兹波段温控开关器件

(一)技术领域

本发明涉及的是一种太赫兹波段温控开关器件，可用于太赫兹波的调控，属于太赫兹通信领域。

(二)背景技术

太赫兹(Terahertz,简称THz)波是指频率在0.1THz至10THz范围内，介于红外和毫米波之间的电磁波。太赫兹波是很好的信息载体，由于太赫兹波介于微波和可见光频段，因此它集成了微波通信与光通信的优点。太赫兹通信在卫星间星际通信、短程地面和大气通信等领域受到了高度重视，但是目前实现太赫兹通信系统的条件并不成熟，要建立完整的通信系统，开关器件是必不可少的。

自然界中的材料并不能满足太赫兹通信的条件，限制了太赫兹通信的发展，因此现在急需一种能在太赫兹频段下工作的开关器件，以便于建立完整的太赫兹通信系统，超材料是一种由亚波长的人工结构组成的新型材料，通常由周期排列的微结构组成，拥有天然材料所不具备的物理性质。超材料的出现解决了太赫兹频段下自然材料不能工作的限制，太赫兹通信系统在未来必将快速发展。

为解决上述问题，陶智勇等人于2017年等人提供了一种THz波导型VO₂温控开关，申请号为CN201710411362.3，是一种具有波导和VO₂薄膜的周期结构，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通过与否的调控，来实现开关功能。基于VO₂特性设计的温控开关，虽然具有损耗小，结构简单等优点，但是无法观测到开关的中间态。

本发明针对以上背景技术的不足，提出了一种太赫兹波段温控开关器件。可用于实现太赫兹波通过与否的调控，可广泛用于太赫兹通信等领域。与现有技术相比，该器件结构简单，易于操作，从“开”状态到“关”状态有一个渐变的过程。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易的一种太赫兹波段温控开关器件，建立完整的太赫兹通信系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种太赫兹波段温控开关器件，其特征是：它由基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4组成。暗模谐振器3包括设有掏空图形的金属板，所述掏空图形包括中间的第一方形6和所述第一方形6中心线位置的第二方形7和第三方形8。其中，太赫兹波打在器件上，明模谐振器2和暗模谐振器3形成电磁感应透明结构，在透射谱中出现一个透明的窗口，温控半导体4填充在暗模谐振器3中，当环境温度升高时，透明窗口消失，达到太赫兹波的调控。

在其中一个实施例中，基底1的材料包括硅、石英、蓝宝石中的至少一种。

在其中一个实施例中，明模谐振器2为一根金属棒，所述金属棒的长度为85μm～95μm,厚度为0.2μm～0.4μm，宽度为8μm～10μm。

在其中一个实施例中，暗模谐振器3包括设有掏空图形的金属板，所述金属板的长度为55μm～65μm，厚度为0.2μm～0.4μm，所述宽度为55μm～65μm，明模谐振器2与暗模谐振器3的材料相同，至少包括金、铝、银和铜中的至少一种。

在其中一个实施例中，温控半导体4的材料至少包括InSb、VO₂中的至少一种。

在其中一个实施例中，基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4成矩形周期形式排布。

上述一种太赫兹波段温控开关器件，通过采用明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4，基底5形成开关器件单元结构，然后通过将开关器件单元结构矩形周期排列形成太赫兹波段开关器件，太赫兹波段温控开关器件利用外界温度的改变，实现了太赫兹波的“导通”和“截止”状态的改变，达到温控开关的目的，同时能够适用于宽带通信。

(四)附图说明

图1是本发明一种太赫兹波段温控开关器件的单元结构示意图。其中开关器件单元结构5由基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4组成。

图2是本发明一种太赫兹波段温控开关的平面结构示意图。

图3是本发明一种太赫兹波段温控开关单元结构的二维平面数学模型图。

图4是本发明一种太赫兹波段的温控开关的结构在“开”逐渐到“关”状态的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不是唯一的实施方式，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1和图2，为一实施例中太赫兹波段温控开关器件的三维结构和平面结构示意图。一种太赫兹波段温控开关器件，包括开关器件单元结构5，其中，开关器件单元结构5包括：基底1，明模谐振器2、暗模谐振器3、以及温控半导体4。

在一个实施例中，明模谐振器2、暗模谐振器3从左到右依次排列在基底1上，温控半导体4填充在暗模谐振器3掏空的位置。明模谐振器2是一条金属棒，暗模谐振器3是一块有掏空图形的金属板，掏空图形包括第一方形6和所述第一方形中性线两边的第二方形7和第三方形8。

请参阅图3，为一实施例中的开关器件单元结构的二维平面数学模型图。如图3所示，分别以Px、Py、Lx、Ly、w、s、g表示本实施例中的温控开关器件单元结构5的模型参数。Px表示温控开关器件单元结构5的长。Py表示温控开关器件单元结构5的宽。Lx表示暗模谐振器3的长。Ly表示暗模谐振器3的宽。w表示明模谐振器2的宽。s表示明模谐振器2到暗模谐振器3的距离。g表示所述第二方形7的宽。

上述一种太赫兹波段温控开关器件，通过基底1、明模谐振器2、暗模谐振器3以及温控半导体4形成开关器件的单元结构5，然后以矩形排列形成周期结构，所述基底1上的太赫兹温控开关单元结构5与太赫兹波产生作用，明模谐振器2与暗模谐振器3构成了电磁感应透明结构，通过控制温控半导体4周围的温度，实现了太赫兹波的“导通”和“截止”状态的改变，达到温控开关的目的，同时能够适用于宽带通信。

为了使本发明的原理解释更加清晰，下面结合图4进一步描述本发明的原理。

请参阅图4，为一实施例中的太赫兹温控开关器件的传输特性曲线图。根据上述实施例中的参数，在电磁仿真软件中建立温控开关器件的单元结构模型，仿真得到本发明一种太赫兹波段温控开关器件传输率和频率的变化关系曲线。如图4所示，当环境温度为200K时，传输图谱中出现一个透明窗口，将此状态定位开关器的“开”，逐渐增加环境温度时，透明窗口出现调制的过程，当环境温度为240K时，传输图谱中透明窗口消失，将此状态定位开关器的“关”,这是因为温度的升高，改变了温控半导体4中的载流子浓度，温控半导体4电导率增加，同时也增加了暗模谐振器3的阻尼率，改变了明模谐振器2和暗模谐振器3之间的共振，导致原来的共振不能维持，透明窗口消失。

Claims

1.一种太赫兹波段温控开关器件，其特征是：它由基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4组成。暗模谐振器3包括设有掏空图形的金属板，所述掏空图形包括中间的第一方形6和所述第一方形6中心线位置的第二方形7和第三方形8。其中，太赫兹波打在器件上，明模谐振器2和暗模谐振器3形成电磁感应透明结构，在透射谱中出现一个透明的窗口，温控半导体4填充在暗模谐振器3中，当环境温度升高时，透明窗口消失，达到太赫兹波的调控。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波段温控开关器件，其特征在于，基底1的材料包括硅、石英、蓝宝石中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波段温控开关器件，其特征在于，明模谐振器2为一根金属棒，所述金属棒的长度为85μm～95μm,厚度为0.2μm～0.4μm，宽度为8μm～10μm。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波段温控开关器件，其特征在于，暗模谐振器3包括设有掏空图形的金属板，所述金属板的长度为55μm～65μm，厚度为0.2μm～0.4μm，所述宽度为55μm～65μm，明模谐振器2与暗模谐振器3的材料相同，至少包括金、铝、银和铜中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波段温控开关器件，其特征在于，温控半导体4的材料至少包括InSb、VO₂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的太赫兹波段温控开关器件，其特征在于，基底1，明模谐振器2，暗模谐振器3，温控半导体4成矩形周期形式排布。