CN209880825U - 一种光控可调谐太赫兹吸收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光控可调谐太赫兹吸收器，包括底层金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元由光控半导体硅贴片及金属贴片构成，包括位于介质基板中央的对称嵌套开口谐振环结构和分割圆环及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构。该吸收器在TE波和TM波下均有很好的吸收效果，不同的电导率代表不同水平的光激发，所以当调节表面光控半导体硅的电导率可以对其吸收效果进行有效的调节，进而使其在太赫兹波段达到超宽带吸收。

Description

一种光控可调谐太赫兹吸收器

技术领域

本实用新型涉及一种超宽带太赫兹吸收器，尤其是一种基于光控开关的宽带超材料太赫兹吸收器，属于无线电通信、太赫兹器件技术领域。

背景技术

太赫兹波通常指频率范围在0.1-10THz，对应波长范围在3mm-30μm。太赫兹波介于红外波与毫米波之间，在电磁波频谱中占有特殊的位置，因此太赫兹波除了具有电磁波的波粒二象性之外，还具备许多其它电磁辐射所没有的优势，如：瞬态性、相干性、宽带性、低能性和高透性等。上世纪70年代，Fleming首次提出了太赫兹一词，其目的是为了描述迈克尔逊干涉仪的频率范围。由于太赫兹的独特特性，所以太赫兹在很多领域都有独特的应用，如：通信、分子生物、生物传感、太赫兹成像和太赫兹吸收器等。

传统意义上的太赫兹吸收器均是由单层复杂结构或者多层结构构成，且其吸收带宽一般达不到宽带吸收，在微波波段，我们可以通过加载集总电阻的方式来实现宽带吸收，但在太赫兹波段，集总电阻将失去其实际的作用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种光控可调谐太赫兹吸收器，通过在介质基板上设置对称嵌套开口谐振环和阶梯型金属贴片以及分割圆环来实现在 THz波段的极化不敏感超宽带吸收，并且通过不同的电导率值来反映不同水平的光激发，从而通过调控介质基板表面光控半导体硅的电导率来对该吸收器的吸收带宽进行一定的调节。

本实用新型为解决上述问题采用以下技术方案：一种光控可调谐太赫兹吸收器，包括底层的金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元包括位于介质基板中央的对称嵌套开口谐振环结构、分割圆环结构及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构，所述双Y形条状结构由光控半导体硅贴片及金属金贴片构成，嵌套开口谐振环结构由光控半导体硅贴片及金属金贴片构成，分割圆环结构由金属金构成。

本实用新型通过使用半导体光控开关以解决上述问题，半导体具有很高的电阻率，但是通过调节其电导率，其电阻率会相应的变化，进而可以拓宽吸收器的吸收带宽。基于以上特点，本实用新型的光控可调谐太赫兹吸收器，可以通过在吸收器结构中加半导体光控开关来实现太赫兹波段的宽带吸收。

进一步的，所述双Y形条状结构的数量为四个，且结构及其尺寸均相同，分别由两个Y 形金属贴片及其中间的光控半导体硅贴片构成。

进一步的，所述双Y形条状结构中间的光控半导体硅贴片长度为l₁＝1.445μm，宽度为 b＝0.765μm；所述Y形金属贴片的宽度由中间向外依次增大，呈阶梯形结构，所述阶梯形结构的长度由中间向外依次为a＝4.5μm,a₁＝3μm,a₂＝3μm,a₃＝6μm，且中间阶梯形结构的宽度为b＝1.35μm。

进一步的，所述Y形金属贴片的宽度从中间向外依次为前一个宽度的1.5倍。

进一步的，所述Y形结构的末端呈V形，其外角tanθ＝8/3，相邻两个阶梯形结构之间的夹角表示为tanθ₁＝-3/4。

进一步的，所述对称嵌套开口谐振环外环的长为l₂＝24μm，宽l₃＝11μm，内环长m＝18μm，宽l₄＝6.5μm，开口长s＝2μm，宽t₁＝1μm，分割圆环大环外直径r₁＝50μm，小环外直径r＝μm，圆环内外直径相差t₂＝3μm，分割间距t₃＝5μm。

进一步的，所述吸收器通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率以代表不同水平的光激发，从而实现调节该吸收器的吸收带宽。

进一步的，所述底层反射板是金属金，所述介质基板是聚酰亚胺(损耗角正切为0.0027)，光控半导体硅贴片的介电常数为11.9C^2，电导率为89125S/m，金属金的电导率为45610000 S/m。

进一步的，所述底层反射板为方形板，其边长为80μm，厚度为0.4μm，材料为金。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)可以通过不同的电导率值来代表不同水平的光激发，从而通过调节介质基板表面光控半导体硅材料的电导率来调节该吸收器的吸收带宽。

(2)本实用新型可以在较小的物理尺寸下实现对太赫兹电磁波的吸收，具有设计灵活、温控可调谐、应用范围广、功能性强等特点。

附图说明

图1为本实用新型结构单元立体图。

图2为本实用新型的结构单元正视图。

图3为本实用新型的结构单元侧视图。

图4为本实用新型TE波吸收曲线。

图5为本实用新型TM波吸收曲线。

图6为本实用新型在不同电导率时TE波的吸收曲线。

附图标记解释：1-半导体硅，2-对称嵌套开口谐振环，3-双Y条形结构，4-分割圆环结构，5-介质基板，6-金反射板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步阐述：

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实施例提出了一种光控可调谐太赫兹吸收器，其结构如图1和图2所示，包括底层金属金反射板，所述的底层反射板上设置有介质基板，介质基板是聚酰亚胺(损耗角正切是 0.0027)，其介质基板上设置有对称嵌套开口谐振环、分割圆环、金属金贴片和金属贴片中间的光控半导体硅贴片，其光控半导体硅贴片的介电常数为11.9，电导率为89125S/m，金属金的电导率为45610000S/m，具体的结构如图1所示。

该吸收器结构单元四周是双Y形结构，双Y形结构为上下对称结构，中间是光控半导体硅材料，其长度为l₁＝2.55μm，宽度为b＝1.35μm。末端“V”形结构的外角tanθ＝8/3，双Y形结构中间到两边其长度依次为a＝4.5μm,a₁＝3μm,a₂＝3μm,a₃＝6μm,最中间阶梯形结构的宽度为b＝1.35μm,从中间依次向外外层一个的宽度均为里层宽度的1.5倍,相邻两个双Y形结构之间的夹角可以表示为tanθ₁＝-3/4。对称嵌套开口谐振环外环的长为l₂＝24μm，宽l₃＝11μm，内环长m＝18μm，宽l₄＝6.5μm，开口长s＝2μm，宽t₁＝1μm，分割圆环大环外直径r₁＝50μm，小环外直径r＝μm，圆环内外直径相差t₂＝3μm，分割间距t₃＝5μm，具体的结构参数如图2,3 所示。

其相关参数如表1所示。

表1

图4图5分别是一种光控可调谐太赫兹吸收器当介质基板表面光控半导体硅的电导率为 10^4.95S/m时TE波和TM波的吸收曲线。由图4可知，在频域1.5-2.43THz内，该吸收器的吸收率在90％以上，相对带宽达到了47.3％，且在频点2.3THz处，吸收率达到了98.76％，几乎达到了完美吸收，TE波和TM波的吸收曲线几乎达到了完美重合，由图5可知，TM波的吸收频域为1.46-2.356THz(吸收率大于90％)，相对带宽为46.9％。所以该吸收器是极化不敏感的。

图6是不同的电导率下该吸收器在TE波的吸收曲线。由图6可知，当电导率从10^2.95 S/m变到10^4.45S/m时，该吸收器在2THz处的吸收率逐渐升高，一直升高到95.47％。当δ＝10^4.95S/m时，该吸收器有最好的吸收效果。当电导率继续增大时，该吸收器吸收率90％以上的吸收带宽逐渐减小，2THz处的吸收率急剧下降，在频域1.3737-1.5353THz和2.3434-2.4242THz内吸收率大于90％，当继续增大电导率时，2THz处的吸收率继续降低，总体吸收效果变差。所以随着电导率变大，该吸收器吸收先变好再变差。

显然，通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率，对该吸收器的吸收率有很大的影响，且随着电导率的增加，该吸收器的吸收率先增加再减小。所以我们可以通过调节半导体硅结构的电导率来代表不同水平的光激发，从而实现对该吸收器吸收率以及吸收带宽的调控。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：包括底层的金属反射板及其上方的介质基板，所述介质基板上贴覆有周期性结构单元，所述周期性结构单元包括位于介质基板中央的对称嵌套开口谐振环结构、分割圆环结构及沿介质基板四周均匀对称分布的双Y形条状结构，所述双Y形条状结构由光控半导体硅贴片及金属金贴片构成，嵌套开口谐振环结构由光控半导体硅贴片及金属金贴片构成，分割圆环结构由金属金构成。

2.根据权利要求1所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述对称嵌套开口谐振环开口处接有半导体硅。

3.根据权利要求1所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述双Y形条状结构的数量为四个，且结构及其尺寸均相同，分别由两个Y形金属贴片及其中间的光控半导体硅贴片构成。

4.根据权利要求3所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述双Y形条状结构中间的光控半导体硅贴片长度为l₁＝1.445μm，宽度为b＝0.765μm；所述Y形金属贴片的宽度由中间向外依次增大，呈阶梯形结构，所述阶梯形结构的长度由中间向外依次为a＝4.5μm,a₁＝3μm,a₂＝3μm,a₃＝6μm，且中间阶梯形结构的宽度为b＝1.35μm。

5.根据权利要求4所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述Y形金属贴片的宽度从中间向外依次为前一个宽度的1.5倍。

6.根据权利要求4所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述Y形结构的末端呈V形，其外角tanθ＝8/3，相邻两个阶梯形结构之间的夹角表示为tanθ₁＝-3/4。

7.根据权利要求1所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述对称嵌套开口谐振环外环的长为l₂＝24μm，宽l₃＝11μm，内环长m＝18μm，宽l₄＝6.5μm，开口长s＝2μm，宽t₁＝1μm，分割圆环大环外直径r₁＝50μm，小环外直径r＝μm，圆环内外直径相差t₂＝3μm，分割间距t₃＝5μm。

8.根据权利要求1所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述吸收器通过调节介质基板表面光控半导体硅的电导率以代表不同水平的光激发，从而实现调节该吸收器的吸收带宽。

9.根据权利要求1所述的光控可调谐太赫兹吸收器，其特征在于：所述底层反射板是金属金，电导率为45610000S/m，所述介质基板是聚酰亚胺，其损耗角正切为0.0027，光控半导体硅贴片的介电常数为11.9 C^2，电导率为89125S/m。