CN113922074A - 功能可变的太赫兹控制器 - Google Patents

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    • H01Q17/007—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with means for controlling the absorption

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Abstract

本发明公开了一种功能可变的太赫兹控制器。它包括太赫兹波输入端、反射太赫兹波输出端、N×N个单元结构，N为自然数；N×N个单元结构周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，单元结构包括顶层组合图案、硅介质层、二硫化钨薄膜、金属光栅、二氧化硅介质层和金属底板；其中，顶层组合图案位于硅介质层上方，由四缺口二硫化钨圆环和十字镂空二硫化钨圆盘组成。本发明的功能可变的太赫兹控制器具有结构简单，性能优越，控制灵活，功能可调，便于加工制作等特点，在各种太赫兹系统中具有广阔的应用前景。

Description

功能可变的太赫兹控制器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种功能可变的太赫兹控制器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1~10THz，波长为3000~30μm范围内的电磁波，它在长波段与毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹技术在高速通信、生物成像、光谱检测等领域具有广泛应用前景。近年来，各种太赫兹功能器件如太赫兹滤波器、太赫兹波开关、太赫兹波调制器等都有相关研究报道。通常而言，这些已报道的太赫兹功能器件功能单一，而且一旦优化结构尺寸参数后，器件性能就固定了，不可以调节，严重制约了太赫兹技术应用与发展，因此设计一款功能可变的太赫兹控制器具有十分重大意义。本发明提出一种功能可变的太赫兹控制器，在所设计的微结构中嵌入二硫化钨材料，通过改变外部条件，可以实现一种器件结构，获得多种功能，而且随着器件的外部工作条件变化，这些功能可以互相切换。本发明的功能可变的太赫兹控制器具有结构简单，性能优越，控制灵活，功能可调，便于加工制作等特点，在各种太赫兹系统中具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种功能可变的太赫兹控制器。
为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
功能可变的太赫兹控制器包括太赫兹波输入端、反射太赫兹波输出端、N×N个单元结构，N为自然数；N×N个单元结构周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，单元结构包括顶层组合图案、硅介质层、二硫化钨薄膜、金属光栅、二氧化硅介质层和金属底板；其中，顶层组合图案位于硅介质层上方，由四缺口二硫化钨圆环和十字镂空二硫化钨圆盘组成。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
所述的周期排列的N×N个单元结构的正视图为正方形，正方形边长为90~110μm。
所述的顶层组合图案厚度为1~5μm，材料为二硫化钨。
所述的硅介质层，厚度为20~30μm。
所述的二硫化钨薄膜，厚度为1.5~2.0μm。
所述的二氧化硅层，厚度为29~33μm。
所述的金属光栅，厚度为0.4~0.6μm，材料为金，光栅宽度为28~32μm。
所述的金属底板5，厚度为0.4~0.6μm，材料为金。
所述的四缺口二硫化钨圆环的内径为29~33μm，圆环宽度为5~9μm，开口宽度为8~12μm；十字镂空二硫化钨圆盘的半径为26~30μm，镂空的十字结构的长为46~50μm、宽为19~23μm，顶层组合图案的材料均为二硫化钨。
本发明的功能可变的太赫兹控制器具有结构简单，性能优越，控制灵活，功能可调，便于加工制作等特点，在各种太赫兹系统中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是功能可变的太赫兹控制器截面示意图。
图2是功能可变的太赫兹控制器的俯视图和三维单元结构图。
图3是功能可变的太赫兹控制器以3×3阵列作为应用实例的结构示意图。
图4是功能可变的太赫兹控制器表现为太赫兹吸收器时，它的太赫兹反射率、太赫兹透射率和太赫兹吸收率曲线。
图5是功能可变的太赫兹控制器表现为太赫兹吸收器时，在吸收带宽的边缘两个频率点(a) f 1=1.0THz、(b) f 2=2.1THz处的顶层组合图案电场分布。
图6 (a)和图6(b)分别表示为功能可变的太赫兹控制器在入射线偏振波下，产生反射圆偏振波的椭圆率和轴比曲线。
具体实施方式
如图1所示为功能可变的太赫兹控制器截面示意图，图2是功能可变的太赫兹控制器的俯视图和三维单元结构图。如图1~2所示，功能可变的太赫兹控制器，其特征在于包括太赫兹波输入端1、反射太赫兹波输出端12、N×N个单元结构7，N为自然数；N×N个单元结构7周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，单元结构7包括顶层组合图案11、硅介质层2、二硫化钨薄膜3、金属光栅8、二氧化硅介质层4和金属底板5；其中，顶层组合图案11位于硅介质层2上方，由四缺口二硫化钨圆环9和十字镂空二硫化钨圆盘10组成。
在该功能可变的太赫兹控制器中，各部件的材料和参数可采用如下方式：
所述的周期排列的N×N个单元结构7的正视图为正方形，正方形边长为90~110μm。所述的顶层组合图案11厚度为1~5μm，材料为二硫化钨。所述的硅介质层2，厚度为20~30μm。所述的二硫化钨薄膜3，厚度为1.5~2.0μm。所述的二氧化硅层4，厚度为29~33μm。所述的金属光栅8，厚度为0.4~0.6μm，材料为金，光栅宽度为28~32μm。所述的金属底板5，厚度为0.4~0.6μm，材料为金。所述的四缺口二硫化钨圆环9的内径为29~33μm，圆环宽度为5~9μm，开口宽度为8~12μm；十字镂空二硫化钨圆盘10的半径为26~30μm，镂空的十字结构的长为46~50μm、宽为19~23μm，顶层组合图案的材料均为二硫化钨。
下面基于该功能可变的太赫兹控制器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，一种功能可变的太赫兹控制器的结构和各部分形状如上所述，因此不再赘述。选择单元结构个数N=3，周期排列的3×3个结构单元的功能可变的太赫兹控制器如图3所示。各部件的具体参数如下：
周期排列的3×3个单元结构7的正视图为正方形，正方形边长为100μm；顶层组合图案11厚度为1.5μm，材料为二硫化钨；硅介质层2厚度为25μm；二硫化钨薄膜3厚度为2.0μm；二氧化硅层4厚度为29μm；金属光栅8厚度为0.5μm，材料为金，光栅宽度为28μm；金属底板5厚度为0.5μm，材料为金。四缺口二硫化钨圆环9的内径为29μm，圆环宽度为5μm，开口宽度为8μm；十字镂空二硫化钨圆盘10的半径为26μm，镂空的十字结构的长为46μm、宽为19μm，顶层组合图案的材料均为二硫化钨。
太赫兹波信号从输入端1输入，通过功能可变的太赫兹控制器作用，从反射太赫兹波输出端12输出。为了验证本发明的功能可变的太赫兹控制器功能，通过CST STUDIOSUITE 2019软件进行计算。无外加电场作用时，即对顶层组合图案和金属薄膜无外加电压，当太赫兹波从输入端1入射，功能可变的太赫兹控制器表现为宽带太赫兹波吸收器，太赫兹波吸收带宽从1.0 THz到2.1THz，此时从反射太赫兹波输出端12输出太赫兹波为0，入射太赫兹波全部为功能可变的太赫兹控制器所吸收，如图4所示。此时，在吸收带宽的边缘两个频率点f 1=1.0THz、f 2=2.1THz处的顶层组合图案电场分布如图5(a)和5(b)所示。
有外加电场作用时，即对顶层组合图案和金属薄膜施加外加电压，二硫化钨导电特性随外加电压改变，当太赫兹波从输入端1入射，功能可变的太赫兹控制器表现为线-圆偏振转换功能，即入射的线偏振太赫兹波通过器件后反射出圆偏振太赫兹波。图6 (a)和6(b)是功能可变的太赫兹控制器入射线偏振波反射圆偏振波时的椭圆率和轴比曲线图。如图6(a)所示在0.391~0.517THz频段，椭圆率为1，代表着线偏振太赫兹波从输入端1入射，从反射太赫兹波输出端12输出的反射波为左圆偏振波；在0.673~2.363THz频段内，椭圆率为-1，代表着线偏振太赫兹波从输入端1入射，从反射太赫兹波输出端12输出的反射波为右圆偏振波。图6(b)所示在0.391~0.517THz和0.673~2.363THz范围内，轴比均小于3dB，证明了本发明的功能可变的太赫兹控制器具有很好的圆偏振转换功能。上述结果表明，本发明由一种单一结构组成器件，通过改变外部电压条件，可以实现两种完全不一样的太赫兹波控制功能的切换。

Claims (9)

1.一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于包括太赫兹波输入端1、反射太赫兹波输出端12、N×N个单元结构7，N为自然数；N×N个单元结构7周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，单元结构7包括顶层组合图案11、硅介质层2、二硫化钨薄膜3、金属光栅8、二氧化硅介质层4和金属底板5；其中，顶层组合图案11位于硅介质层2上方，由四缺口二硫化钨圆环9和十字镂空二硫化钨圆盘10组成。
2.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的周期排列的N×N个单元结构7的正视图为正方形，正方形边长为90~110μm。
3.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的顶层组合图案11厚度为1~5μm，材料为二硫化钨。
4.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的硅介质层2，厚度为20~30μm。
5.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的二硫化钨薄膜3，厚度为1.5~2.0μm。
6.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的二氧化硅层4，厚度为29~33μm。
7.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的金属光栅8，厚度为0.4~0.6μm，材料为金，光栅宽度为28~32μm。
8.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的金属底板5，厚度为0.4~0.6μm，材料为金。
9.如权利要求1所述的一种功能可变的太赫兹控制器，其特征在于所述的四缺口二硫化钨圆环9的内径为29~33μm，圆环宽度为5~9μm，开口宽度为8~12μm；十字镂空二硫化钨圆盘10的半径为26~30μm，镂空的十字结构的长为46~50μm、宽为19~23μm，顶层组合图案的材料均为二硫化钨。
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