太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法技术

本发明专利技术公开了一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法。该太赫兹调制器包括：铜谐振环阵列(1)、二氧化钒薄膜(2)、二氧化硅基底(3)、宽带太赫兹源(4)和泵浦激光源(5)，其中，铜谐振环阵列(1)和二氧化硅基底(3)形成超材料，二氧化钒薄膜(2)镀在二氧化硅基底(3)的后表面。本发明专利技术实施的太赫兹调制器可以实现光控高速宽带太赫兹强度调制。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法
本专利技术属于太赫兹应用
，具体涉及一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法。
技术介绍
太赫兹(THz，1THz＝1012THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm-30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、指纹性等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。其中，太赫兹通信具有频段资源丰富、带宽大、保密性好等优点，可实现室内短距离或空间保密无线通信，传输速率可达1～10Gbps，太赫兹波在通信领域应用中具有独特的优势，而太赫兹调制器是太赫兹通信系统的关键核心器件。近年来，众多的太赫兹调制器被提出，包括基于量子阱、光子晶体、半导体硅、超材料等的太赫兹调制器，按调制方式可以分为调幅、调相、调频等，按控制方式又可分为电控、磁控、光控、压电等类型。太赫兹调制器的关键技术指标是：工作中心频率、工作带宽、调制速率和响应时间、调制深度、插入损耗、传输损耗等。例如，一种基于一维光子晶体砷化镓缺陷的光控超快太赫兹强度调制器，其工作频率0.6THz，调制带宽16GHz，调制深度50％，响应时间130ps[L.Feketeetal.,Opt.Lett32,680-682(2007)]。一种基于超材料的太赫兹振幅和相位调制器，其工作频率0.81THz，调制带宽约20GHz，调制深度55％，调制速率2MHz[H.T.Chenetal.,Appl.Phys.Lett93,091117(2008)]。目前的太赫兹调制器存在以下问题：工作频率主要在低频、毫米波段；调制带宽窄，一般只有几个GHz；调制速率低，最高调制速率一般在MHz量级，无法发挥太赫兹波高载波频率大传输带宽的优势；调制深度小，一般在50％以内，并且这一指标随着调制速率和工作频率的升高而迅速下降。现有能实现调制功能的材料在太赫兹波段十分有限，它们都往往伴随强烈的太赫兹吸收损耗。而如高阻硅、聚合物等低损耗的太赫兹材料载流子复合时间长、非线性系数小，难以实现高速、大调制深度的太赫兹调制。二氧化钒(VO2)是一种相变铁电材料，它在温、光或电场下发生电介质到金属的转变(温度：临界温度340K，光照：皮秒或飞秒脉冲)，其电导率可以有3到5个数量级的变化。介质相时，太赫兹波能良好透过VO2薄膜，金属相时，太赫兹波被VO2薄膜反射。文献表明，用飞秒激光泵浦VO2薄膜，其对太赫兹波的调制响应时间极短，小于1ps[S.B.Choietal.,Appl.Phys.Lett98,071105(2011)]。VO2是一种非常有前途的太赫兹功能材料，尤其是高速调制器件方面。如何利用现有的太赫兹功能材料，研制出工作带宽大、调制速率快、调制深度大的太赫兹调制器是太赫兹通信系统中急需解决的关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种太赫兹调制器、太赫兹调制器的制备方法和调谐方法，解决太赫兹调制器的调制带宽窄、调制速率低、调制深度小等关键技术问题。第一方面，提供了一种太赫兹调制器，包括：铜谐振环阵列1、二氧化钒薄膜2、二氧化硅基底3、宽带太赫兹源4和泵浦激光源5，其中，铜谐振环阵列1和二氧化硅基底3形成超材料，二氧化钒薄膜2镀在二氧化硅基底3的后表面。结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，铜谐振环阵列1中的铜谐振环在垂直于二氧化硅基底3的方向上的高度为200nm。结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，铜谐振环阵列1中的铜谐振环为双环结构，其中，内环为直径28μm，厚度6μm的正方形铜环，外环为直径40μm，厚度为6μm的正方形铜环。结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，二氧化钒薄膜2的厚度为200nm，在介质相时的电导率不大于0.1，在金属相时的电导率大于2000。结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，泵浦激光源5为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，泵浦激光源5的泵浦光辐照到超材料上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm2。结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，泵浦激光源5用于根据泵浦光辐照强度的大小对宽带太赫兹源4的太赫兹波进行调制。第二方面，提供了上述太赫兹调制器的制备方法，包括：在二氧化硅基底3上采用光刻的方法得到铜谐振环阵列1；在二氧化硅基底3的后表面镀二氧化钒薄膜2。结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，在二氧化硅基底3的后表面镀二氧化钒薄膜2，包括：采用磁控溅射方法在二氧化硅基底3的后表面镀一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜2。第三方面，提供了上述太赫兹调制器的调谐方法，包括：将泵浦激光源5的泵浦光辐照强度调节为零，使二氧化钒薄膜2为介质相，以使宽带太赫兹源4的谐振频率的太赫兹波透过超材料；增大泵浦激光源5的泵浦光辐照强度，使二氧化钒薄膜2转化为金属相，以使宽带太赫兹源4的太赫兹波不能透过超材料，实现对宽带太赫兹源4的太赫兹波从导光到损耗的强度调制。本专利技术的优点是：该太赫兹调制器调制带宽大，超过200GHz；调制深度超过70％；响应时间短，调制时间达ps量级；结构和调制方法简单，便于小型化和集成化，满足太赫兹通信系统的要求。附图说明图1是本专利技术实施例的太赫兹调制器的示意图。图2是本专利技术实施例的铜谐振环阵列的示意图。图3是本专利技术实施例的铜谐振环的示意图。图4是本专利技术实施例的超材料的透射谱。图5是本专利技术实施例的超材料的吸收谱。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基底中而构成。这种人工结构复合材料具有超常的物理性质或电磁响应，而其性质主要决定于人造金属微结构的图案形状和排列方式。本专利技术在二氧化硅基底后表面镀上一层二氧化钒薄膜，前表面为铜的谐振环结构，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现为超材料的谐振透射特性；而当有激光辐照基底后表面时，二氧化钒薄膜发生相变，器件表现为基于超材料吸波体的特性。吸波体的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉，由于同一结构的超材料因为二氧化钒的介质相到金属相的转变使得超材料由非吸波体转变为吸波材料，因此可以实现太赫兹的强度调制。本专利技术利用二氧化钒的电介质-金属相变性质实现了一种全新的光控高速太赫兹调制器件。图1是本专利技术一个实施例的太赫兹调制器的示意图。如图1所示，太赫兹调制器包括：铜谐振环阵列1、二氧化钒薄膜2、二氧化硅基底3、宽带太赫兹源4和泵浦激光源5，其中，铜谐振环阵列1和二氧化硅基底3形成超材料，二氧化钒薄膜2镀在二氧化硅基底3的后表面。在二氧化硅基底3上采用光刻的工艺方法得到铜谐振环阵列1。可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹调制器，其特征在于，包括：铜谐振环阵列(1)、二氧化钒薄膜(2)、二氧化硅基底(3)、宽带太赫兹源(4)和泵浦激光源(5)，其中，所述铜谐振环阵列(1)和所述二氧化硅基底(3)形成超材料，所述二氧化钒薄膜(2)镀在所述二氧化硅基底(3)的后表面。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹调制器，其特征在于，包括：铜谐振环阵列(1)、二氧化钒薄膜(2)、二氧化硅基底(3)、宽带太赫兹源(4)和泵浦激光源(5)，其中，所述铜谐振环阵列(1)和所述二氧化硅基底(3)形成超材料，所述二氧化钒薄膜(2)镀在所述二氧化硅基底(3)的后表面。2.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述铜谐振环阵列(1)中的铜谐振环在垂直于所述二氧化硅基底(3)的方向上的高度为200nm。3.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述铜谐振环阵列(1)中的铜谐振环为双环结构，其中，内环为直径28μm，厚度6μm的正方形铜环，外环为直径40μm，厚度为6μm的正方形铜环。4.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述二氧化钒薄膜(2)的厚度为200nm，在介质相时的电导率不大于0.1(Ω·cm)-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)-1。5.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述泵浦激光源(5)为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，所述泵浦激光源(5)的泵浦光辐照到所述超材料上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密...

【专利技术属性】
技术研发人员：张会，徐先锋，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37