一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法，属于信息技术中的人工电磁材料领域。包括：第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧；所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。本发明专利技术仅基于多层硅基光栅，无其他复杂结构，具有易于设计、低成本、操作简单等特点，而且普适性强，无频率依赖性，具有很好的可扩展性，能够被推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法


[0001]本专利技术属于信息技术中的人工电磁材料领域，更具体地，涉及一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹频段电磁波通常是指介于微波与红外之间，频率在0.1
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10THz的电磁波(对应波长在0.03到3mm范围)。过去由于受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，对这一频段电磁波的研究结果和数据一直较少，这一频段也被称为“太赫兹间隙”。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，太赫兹源及接收器的类型和性能得到了极大的提升，使得太赫兹技术得到了迅猛发展。
[0003]完整的太赫兹系统不但需要高效的辐射源及探测器，也需要各类高性能太赫兹器件，从而实现对太赫兹信号的有效操控。作为一类基于人工设计的电磁结构，电磁超材料越来越多地被用于太赫兹波的操控。它通常由一系列亚波长量级的单元结构按照周期形式排布而成。通过改变单元结构的形状、尺寸、单元结构的间距以及排布方式来调整超材料在宏观上的电磁参数，从而获得所需要的电磁响应特性。近年来，各类基于电磁超材料的器件不断涌现，其应用频段涵盖了微波至可见光频段。最简单的亚波长一维光栅即可视为一种电磁超材料。
[0004]然而，电磁超材料通常不具备可调谐特征。一旦设计成型，其电磁响应参数便已经固定。在太赫兹频段设计出可调谐的电磁超材料可以进一步提高对太赫兹波的操控能力，从而对太赫兹波的幅度、相位等参数进行调节。现有实现太赫兹可重构超材料的方法主要包括通过额外施加偏置电压或光学方法改变结构中或衬底上半导体的载流子浓度，利用MEMS结构或具有相变性质的材料等。不同方法在物理机制上的差异将直接影响超材料的性能、工艺复杂性、频谱可扩展性、成本、可重构度或调制深度。
[0005]而硅基材料系统具有一系列的优势，包括加工工艺简单、低成本、适合大量生产，因此具有潜在的商业用途，现已被广泛用于超材料吸收体、谐振器等器件的加工制作。然而，目前鲜有单纯利用多层硅基材料系统作为有效的太赫兹调制器的报道。

技术实现思路

[0006]针对相关技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法，旨在解决太赫兹波幅度调制器加工工艺复杂、成本较高的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器，包括第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧；
[0008]所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；
[0009]所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。
[0010]进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅采用高阻硅加工而成。
[0011]进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为条状、圆环状或矩形一维光栅。
[0012]进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为二维光栅。
[0013]进一步地，除所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅外还包括其他亚波长光栅，构成三层以上光栅结构。
[0014]进一步地，所述磁体为配有轭铁的永磁体。
[0015]本专利技术的另一方面还提供了一种上述太赫兹波幅度调制器的制备方法，所述第一亚波长光栅的制备包括以下步骤：
[0016]利用双层胶进行光刻图形化；
[0017]电子束热蒸发法镀金；
[0018]去掉双层胶，剥离金，留下焊盘与对准标记；
[0019]光刻进行光栅结构的图形化；
[0020]对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；
[0021]进行深硅刻蚀；
[0022]去胶去铝，进行释放。
[0023]所述第二亚波长光栅的制备包括以下步骤：
[0024]利用双层胶进行光刻图形化；
[0025]电子束热蒸发法镀金；
[0026]去掉双层胶，剥离金，留下种子层；
[0027]光刻进行焊盘、柱子和对准标记的图形化；
[0028]进行3D电镀，得到有高度差的柱子与焊盘；
[0029]光刻进行光栅结构的图形化；
[0030]对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；
[0031]进行深硅刻蚀；
[0032]去胶去铝，进行释放。
[0033]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0034](1)本专利技术仅基于多层光栅，无其他复杂结构，具有易于设计、低成本、操作简单等特点。
[0035](2)本专利技术基于硅这一最常用半导体材料，加工方便，易于实现。本专利技术中所采用的一维光栅或其他超材料结构均可采用成熟的MEMS加工和键合技术，便于大规模生产。
[0036](3)本专利技术的双层光栅结构对工艺有着较好的容忍度，可以根据实际频率或调制深度/速度的需求，调整参数，获得所需调制效果。
[0037](4)本专利技术普适性强，无频率依赖性，具有很好的可扩展性，能够被推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。
附图说明
[0038]图1是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器示意图。
[0039]图2是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的操作示意图。
[0040]图3展示了双层硅基太赫兹光栅结构相对位移对透射率及反射率的影响。
[0041]图4展示了固定光栅宽度时，不同光栅缝宽情况下双层硅基太赫兹光栅结构相对位移对透射率及反射率的影响。
[0042]图5是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的加工流程图。
具体实施方式
[0043]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]本专利技术提供了一种基于多层硅基光栅超材料的太赫兹波幅度调制器件。该器件基于伍德异常现象，由两层一维光栅结构构成。当两层光栅出现相对位移，太赫兹波的透射率或反射率随着位移出现显著改变，因此可利用对相对位移的控制实现对太赫兹波的调控。本专利技术采用MEMS中的体硅刻穿工艺对每一层光栅结构分别进行加工，并采用键合工艺将两个光栅结构进行键合，构成双层硅基超材料结构。两层光栅中，其中一层为连接有弹簧结构的动光栅，构成弹簧
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质量块系统。该层光栅上制作有线圈结构。通过对该结构通电流，可利用永磁体对动光栅施加电磁力，从而控制动光栅对定光栅的相对位移，利用双层光栅透射或反射系数随着相对位移的变化，实现对太赫兹透射波或反射波的调控。
[0045]本专利技术中提出的双层硅基光栅可以进一步扩展至多层光栅，或将条状一维光栅结构替换为其他如圆环、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，包括第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧；所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。2.如权利要求1所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅采用高阻硅加工而成。3.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为条状、圆环状或矩形一维光栅。4.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为二维光栅。5.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，除所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅外还包括其他亚波长光栅，构...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡方靖，伍文杰，田纪遨，刘骅锋，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：