一种太赫兹波段的慢光器件及其制作制造技术

本发明专利技术一种太赫兹波段的慢光器件，具体指一种在聚酰亚胺衬底上，加工一组特定几何结构的周期性电磁谐振单元阵列，实现该波段上电磁脉冲的群速度延迟的无源器件，涉及太赫兹的慢光器件技术领域。本发明专利技术利用类表面等离子体干涉相消导致太赫兹波段的巨大色散,从而实现该波段上电磁脉冲的群速度延迟的工作原理，通过将一个120度弧形谐振器和一个48个齿轮的内凹齿轮谐振器相组合，在0.23太赫兹波段，实现38.89皮秒的群速度延迟。本发明专利技术利用现有微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制谐振器微结构的加工区域，大大降低了制作成本。在未来的巨大应用前景的THz通讯技术无源器件的发展和应用提供了坚实的技术物质基础。

A slow light device in terahertz band and its fabrication

Slow light device of the present invention is a terahertz, specifically refers to a polyimide substrate, periodic electromagnetic resonator array processing a specific set of geometric structure, the realization of passive device band electromagnetic pulse group velocity delay, slow light device technical field relates to thz. The invention uses the surface plasma interference resulted in a huge dispersion of terahertz band, so as to realize the group velocity of electromagnetic pulse delay work principle, the concave gear resonator with a 120 degree arc resonator and a 48 gear combination at 0.23 THz, the group velocity delay to achieve 38.89 picosecond. The present invention has the advantages of simple process and convenient operation, and can precisely control the processing area of the micro structure of the resonator, thereby greatly reducing the production cost. In the future, the development and application of THz communication technology, passive devices, provides a solid technical material basis for the future.

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹波段的慢光器件及其制作
本专利技术涉及太赫兹慢光
，具体指一种采用弧形谐振器和内凹齿轮谐振器组合在聚酰亚胺表面排列成周期性金属结构阵列的无源器件的设计与制作。
技术介绍
太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝1012Hz)，在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。相比于人们常见的超声波、X射线、中远红外来说，THz波具有非电离和相干特性，不会破坏被探测物质的内部结构及本征属性。常见的纸张、塑料、干燥木材，对THz电磁辐射接近透明，而金属或导电率很高的物体却能够有效反射THz波。由此，利用THz波成像可广泛用于机场、海关等地方的安全监测，比如探查隐藏的枪械、爆炸物、毒品等，而不会对人体造成伤害；在工业上还可以用于探测集成电路焊接的损伤，用于质量控制的手段。由此可见THz技术对我国国家安全、医学诊断，质量检测等领域具有重要的意义。为实现THz技术的广泛应用，除了有效的产生和探测THz波以外，还包括如何对在空间中传播的THz波进行操控。在太赫兹通讯应用中,由于传播噪声、背景噪声等干扰,需消除噪声,提高系统的性能,如：在某些特定THz波段使用滤波器，来消除噪声干扰，然而滤波器对传输信号具有一定的衰减，导致THz通讯效率下降。光学领域中慢光器件的出现，为解决上述技术瓶颈提供的新的途径。慢光(Slowlight)效应是在高色散器件和媒质中存在的一种反常的物理现象。真空中的电磁波传播存在相速度和群速度，其中相速度是大家所熟知“光速”，也就是3×108米/每秒。而在包括THz通信在内的光通讯中使用的光，是以光脉冲的形式来传播信息的，而光脉冲的速度是光的群速度，群速度是指波的包络传播的速度，取决于传播介质的色散值(ReviewsModernPhysics,77：633(2005))。由于传输信号与噪声通过慢光器件后，存在差异，就可以通过改变接受装置的相关参数，接受传输信号，并过滤噪声，群速度越慢，降噪效果越好。因而THz慢光器件成为实现下一代THz通讯技术的广泛应用的重要潜在器件。目前，随着THz慢光器件的研究不断深入,近些年来陆续提出以下不同的THz慢光：如U形谐振器、开口谐振环、金属条谐振器等不同谐振器周期性排列成器件，通过近场激发相互作用，导致表面等离子体振荡干涉相消，从而在特定波长上形成一个色散巨大的透明窗口，从而在窗口频率上实现THz慢光(ScienceChina,56:120406-1–120406-18(2013))。透明窗口在频谱上的位置，取决于谐振器的几何结构。此类设计目前达到的群速度延迟一般不超过10皮秒(1皮秒＝10-12秒)。最新纪录达到26皮秒，是由本专利技术申请人课题组实现的，其结果刊登于OpticalMaterialsExpressVol.7,Issue6,pp.1950-1961(2017)之上。如何进一步提高群延迟，拓展THz慢光器件的性能成为当前THz器件研究的难题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有THz慢光器件所存在的技术局限性和潜在市场需求，提供一种慢光效果达到38皮秒的新型器件，及其简单易行、成本低廉的制备方法。本专利技术通过一种新的构造，即通过将弧形谐振器和内凹齿轮谐振器相互组合，通过弧形谐振器激发凹齿轮谐振器得暗模式类表面等离子体谐振，同时令被激发的模式与激发模式产生干涉相消，在频谱上自我抵消，从而实现0.23THz波段上透明窗口，并在这一窗口上实现38皮秒的群延迟。根据上述原理，本专利技术采用标准柔性电子器件加工工艺在25微米厚聚酰亚胺表面，制备周期性电磁谐振单元阵列，每个单元内包含上述弧形谐振器激发凹齿轮谐振器各一个，导致类表面等离子体干涉相消物理过程共同作用，在0.23THz频率上产生透明窗口，利用该窗口的色散值，来实现THz脉冲38皮秒的群延迟功能。所述太赫兹波段的慢光器件，其特点在于，所述周期性电磁谐振单元结构位于聚酰亚胺薄膜的一个面上，酰亚胺薄膜的厚度为25微米，其周期性电磁谐振单元阵列具有周期性,每个单元尺寸为420微米×420微米；每个电磁谐振单元由一个弧形金属谐振器和一个内凹齿轮形金属谐振器组成。电磁谐振单元中的弧形金属谐振器，弧度为120度，弧长355微米，弧宽5微米；电磁谐振单元中的内凹齿轮形金属谐振器，环外径152微米，内径150微米，环宽2微米，在环内径壁上衔接48个内凹齿，齿长60微米，齿宽8微米，呈矩形，均匀分布在金属环上。该器件的有效区域呈现10.5毫米×10.5毫米的矩形。所述周期性电磁谐振单元的金属层结构，为2微米厚纯度为99.99％的黄金。本专利技术一种太赫兹波段的慢光器件的具体的制备流程包括：第一步：将25微米厚聚酰亚胺薄膜黏贴在三英寸硅衬底上，并将之置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干；第二步：将干燥后的并黏贴聚酰亚胺薄膜的硅衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在聚酰亚胺薄膜表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到2000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<3.5μm；涂胶后的聚酰亚胺薄膜连同硅衬底被放置与110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶；将涂有光刻胶的聚酰亚胺薄膜连同硅衬底转移到KarlSüssMA6型紫外光刻机上，曝光6s后，将光掩膜版天线图形转移到光刻胶上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干印有天线图形的光刻胶的聚酰亚胺薄膜表面；第三步：将吹干后的印有天线图形的光刻胶的聚酰亚胺薄膜连同硅衬底置于热蒸发镀膜仪支架上，然后分别将盛有纯度为99.99％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，然后开启连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度发生变化，以0.5nm/s的蒸发率，持续400s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出蒸镀黄金后的聚酰亚胺薄膜连同硅衬底；第四步：剥离工艺包括步骤：将蒸镀黄金后的聚酰亚胺薄膜连同硅衬底浸泡在99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离聚酰亚胺薄膜表面，而未光刻胶保护的金属部分留在聚酰亚胺薄膜上，成为周期性电磁谐振单元的金属层结构。第五步：将蒸镀黄金后的聚酰亚胺薄膜从黏贴的硅衬底上撕下，完成器件的加工。上述一种太赫兹波段的慢光器件的性能，其特点在于，在0.23THz频谱段出现一个透明窗口，透过该窗口的THz脉冲在0.23THz频率上的群延迟达到38皮秒。本专利技术一种太赫兹波段的慢光器件通过以下手段进行性能表征：采用中国科学院上海应用物理研究所的太赫兹时域光谱系统测量该器件。太赫兹时域光谱系统系统包括：Spectra-PhysicsMaiTaiSP型高能量超短脉冲激光，2对直径100mm、焦距100mm的镀金离轴抛物面镜用来聚焦自由空间中的太赫兹辐射，通过由一块200μm厚的<110>晶向的ZnTe晶体、1/4波片、W本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹波段的慢光器件，其特征在于，采用柔性电子器件加工工艺，在25微米厚聚酰亚胺薄膜单一表面，制备产生类表面等离子体干涉相消的周期性电磁谐振单元阵列；在0.23太赫兹频率上产生等离子体诱导透明窗口,在该窗口上实现对频率中心位于0.23太赫兹的电磁脉冲的群速度延迟，延迟时间达到38.9皮秒。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹波段的慢光器件，其特征在于，采用柔性电子器件加工工艺，在25微米厚聚酰亚胺薄膜单一表面，制备产生类表面等离子体干涉相消的周期性电磁谐振单元阵列；在0.23太赫兹频率上产生等离子体诱导透明窗口,在该窗口上实现对频率中心位于0.23太赫兹的电磁脉冲的群速度延迟，延迟时间达到38.9皮秒。2.如权利要求1所述的一种太赫兹波段的慢光器件，其特征在于，所述周期性电磁谐振单元阵列，其电磁谐振单元阵列具有周期性,每个单元尺寸为420微米×420微米；每个周期性电磁谐振单元由一个弧形金属谐振器和一个内凹齿轮形金属谐振器组成。3.如权利要求2所述的一种太赫兹波段的慢光器件，其特征在于，所述周期性电磁谐振单元中的弧形金属谐振器，弧度为120度，弧长355微米，弧宽5微米；周期性电磁谐振单元中的内凹齿轮形金属谐振器，环外径152微米，内径150微米，环宽2微米，在环内径壁上衔接48个内凹齿，齿长60微米，齿宽8微米，呈矩形，均匀分布在金属环上；有效区域呈现10.5毫米×10.5毫米的矩形。4.如权利要求2所述的一种太赫兹波段的柔性慢光器件，其特征在于，所述周期性电磁谐振单元的金属层结构，为2微米厚、纯度为99.99％的黄金。5.一种太赫兹波段的慢光器件的制作方法，其特征在于，按所述周期性电磁谐振单元结构图型订购光掩膜版，然后采用正胶工艺在将该图案转移到聚酰亚胺薄膜上，具体流程如下：第一步：将25微米厚聚酰亚胺薄膜黏贴在三英寸硅衬底上，并将其置于去离子水中，在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干；第二步：将吹...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎万中，黄袁炜，崔慧敏，谷一航，程鹏，左继浩，张雨奇，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31