CN114280725B - 基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，呈轴对称分布，包括依次连接并位于介质基板上表面的第一共面波导、第一过渡结构、第一耦合区、传输区、第二耦合区、第二过渡结构和第二共面波导，其中第一共面波导和第二共面波导用于引入和输出太赫兹波，第一过渡结构和第二过渡结构用于空间太赫兹波和表面等离子激元波的相互转化，所述第一耦合区和第二耦合区分别由相互耦合的主平面光栅和副平面光栅构成，所述副平面光栅采用电导率可调的相变材料制成。本发明通过将第一耦合区和第二耦合区中的副平面光栅设计为电导率可调的相变材料，可实现对太赫兹等离子体波传输的动态调控。
Description
技术领域
本发明涉及电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构。
背景技术
随着第五代移动通信技术的商用和万物互联进程的推进，为获得更大的通信容量和更快的通信速率，探索更高频段的频谱资源，例如亚毫米波波段和太赫兹波段，成为了无线通信技术发展的必经之路。因此，太赫兹通信技术及其相关的功能器件的研究也正在受到越来越广泛的关注。在太赫兹频段，电磁波在自由空间中的传输损耗比较大，通常需要借助传输线或波导等导波系统来进行传输，但是传统的微波传输方式并不能保障太赫兹波的高效率传输。利用仿表面等离子激元对表面电磁场的强束缚性可以设计低串扰的平面传输线，有效解决集成电路中线间串扰的问题。此外，作为一种慢波结构的平面传输线，具有独特的色散特性，不需要引入额外结构就可以实现具有低通特性的频率选择功能，在设计微波平面电路及功能器件时相比传统微波平面传输线的优势非常明显，并且有助于减小电路尺寸。
目前基于仿表面等离子激元的片上传输结构的工作频率基本上局限于低频范围。2015年公开了一种基于耦合式仿表面等离子激元的片上传输线，其工作频率在7～10GHz，带宽较窄，且其为静态结构，无法实现对电磁波的动态调控，因此无法适应未来面向第六代移动通信技术的太赫兹频段。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种可实现对电磁波动态调控的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，呈轴对称分布，包括依次连接并位于介质基板上表面的第一共面波导、第一过渡结构、第一耦合区、传输区、第二耦合区、第二过渡结构和第二共面波导，其中第一共面波导和第二共面波导用于引入和输出太赫兹波，第一过渡结构和第二过渡结构用于空间太赫兹波和表面等离子激元波的相互转化，所述第一耦合区和第二耦合区分别由相互耦合的主平面光栅和副平面光栅构成，所述副平面光栅采用电导率可调的相变材料制成。
进一步地，所述第一过渡结构(2)和第二过渡结构(6)由深度渐变的H形金属凹槽和Vivaldi渐开线组成。
进一步地，所述传输区(4)由半H形金属凹槽构成。
进一步地，所述第一耦合区和第二耦合区的主平面光栅由H形金属凹槽构成，副平面光栅由半H形金属凹槽构成，所述第一过渡结构的金属凹槽与第一耦合区的主平面光栅连接，第二过渡结构的金属凹槽与第二耦合区的主平面光栅连接，所述传输区的金属凹槽同时与第一耦合区和第二耦合区的副平面光栅连接。
本发明将耦合式仿表面等离子激元传输结构中的第一耦合区和第二耦合区的副平面光栅部分替换成电导率可调的相变材料，通过对电导率的控制，可以动态地调控表面等离子体激元在主光栅和副光栅之间的耦合程度，从而实现了对表面等离子激元波传输的动态调控。此外，本发明带宽宽，调制深度高，且结构简单，方便与其他片上太赫兹通信系统集成。
附图说明
图1为本发明所述的基于耦合式仿表面等离激元的宽带太赫兹片上动态传输结构的示意图。
图2为本发明所述的构成主平面光栅的H形金属凹槽单元结构和构成副平面光栅的半H形金属凹槽单元结构的示意图。
图3为实施例所述的二氧化钒处于绝缘态时的耦合区的结构示意图。
图4为实施例所述的二氧化钒处于金属态时的耦合区的结构示意图。
图5为实施例所述的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构在不同的二氧化钒电导率下的插入损耗图。
图中标记：1、第一共面波导；2、第一过渡结构；3、第一耦合区；4、传输区；5、第二耦合区；6、第二过渡结构；7、第二共面波导；8、H形金属凹槽单元结构；9、半H形金属凹槽单元结构；10、相变材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
如图1所示，本实施例提供的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构包括第一共面波导1、第一过渡结构2、第一耦合区3、传输区4、第二耦合区5、第二过渡结构6、第二共面波导7和厚度为50um的石英介质基板，第一共面波导1、第一过渡结构2、第一耦合区3、传输区4、第二耦合区5、第二过渡结构6、第二共面波导7依次连接并位于介质基板的上表面，结构整体以第一共面波导1和第二共面波导7的信号线中轴、以及传输区4垂直电磁波传输方向的中线为对称轴，呈轴对称分布。所述第一共面波导1和第二共面波导7用于引入和输出太赫兹波，所述第一过渡结构2和第二过渡结构6负责空间太赫兹波和表面等离子激元波的相互转化,由深度渐变的金属凹槽和Vivaldi渐开线组成，其中深度渐变的金属凹槽由第一共面波导1和第二共面波导7中的共面波导的信号线延伸而出4个H形结构宽度的距离，槽深从0逐渐变大，经过5个H形结构宽度的距离，达到传输区4凹槽的深度；Vivaldi渐开线由第一共面波导1和第二共面波导7中共面波导的地线延伸而出，其宽度从地线的宽度逐渐减少为0。所述第一耦合区3和第二耦合区5分别由4个H形金属凹槽单元结构8构成的主平面光栅结构、以及8个半H形金属凹槽单元结构9构成的副平面光栅构成，第一过渡结构2与第一耦合区3的主光栅连接，第二过渡结构6的金属凹槽与第二耦合区5的主光栅连接，传输区4的金属凹槽同时与第一耦合区3和第二耦合区5的副光栅连接，主平面光栅和副平面光栅在第一耦合区3和第二耦合区5相互耦合，以使表面等离子体波通过。第一耦合区3和第二耦合区5中副平面光栅(图1中浅灰色的平面凹槽结构)由200nm厚的相变材料10制成，本实施例中相变材料采用二氧化钒，此外位于介质基板上方的其它结构均由1um厚的金属构成。
使用时，空间太赫兹波从第一共面波导1引入，通过第一过渡结构2将空间的太赫兹波转换成表面等离子激元的太赫兹波，再传入到第一耦合区3中。此时通过外加800nm的泵浦激光，可以控制第一耦合区3和第二耦合区5中的二氧化钒的相态从绝缘态到金属态的转变。当没有外加泵浦光的时候，二氧化钒的相态为绝缘态，电导率约为σ＝140S/m，第一耦合区3和第二耦合区5可以等效成如图3所示的金属结构，此时太赫兹表面等离子激元很难在主平面光栅和副平面光栅之间实现耦合。当施加泵浦光后，随着泵浦光功率的增加，二氧化钒的电导率逐渐升高，最大可以达到σ＝200000S/m，在这个过程中，二氧化钒的相态逐渐向金属态转变，第一耦合区3和第二耦合区5可以等效成如图4所示的金属结构，此时太赫兹表面等离子激元可以从主平面光栅高效地耦合到副平面光栅上，再通过传输区4到达第二耦合区5，重新回到主平面光栅上，再通过第二过渡结构6将表面等离子体波转换成空间波由第二共面波导7输出。
图5所示为在不同的二氧化钒电导率下耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构的插入损耗图。从图中可以看出在0.512THz～0.713THz的频段内，结构整体能实现对太赫兹波传输的调制，在二氧化钒电导率为σ＝200000S/m的情况下，传输的插入损耗整体在-10dB以内，其中在0.709THz，更是能实现高达45dB的调制深度。本实施例具有带宽宽，调制深度高，结构简单的特点，此外还方便与其他片上太赫兹通信系统集成。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，呈轴对称分布，包括依次连接并位于介质基板上表面的第一共面波导（1）、第一过渡结构（2）、第一耦合区（3）、传输区（4）、第二耦合区（5）、第二过渡结构（6）和第二共面波导（7），其中第一共面波导（1）和第二共面波导（7）用于引入和输出太赫兹波，第一过渡结构（2）和第二过渡结构（6）用于空间太赫兹波和表面等离子激元波的相互转化，其特征在于：所述第一耦合区（3）和第二耦合区（5）均由相互耦合的主平面光栅和副平面光栅构成，所述副平面光栅采用电导率可调的相变材料（10）制成。
2.根据权利要求1所述的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，其特征在于：所述第一过渡结构（2）和第二过渡结构（6）由深度渐变的H形金属凹槽和Vivaldi渐开线组成。
3.根据权利要求2所述的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，其特征在于：所述传输区（4）由半H形金属凹槽构成。
4.根据权利要求3所述的基于耦合式仿表面等离激元的太赫兹片上动态传输结构，其特征在于：所述第一耦合区（3）和第二耦合区（5）的主平面光栅由H形金属凹槽构成，副平面光栅由半H形金属凹槽构成，所述第一过渡结构（2）的金属凹槽与第一耦合区（3）的主平面光栅连接，第二过渡结构（6）的金属凹槽与第二耦合区（5）的主平面光栅连接，所述传输区（4）的金属凹槽同时与第一耦合区（3）和第二耦合区（5）的副平面光栅连接。
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