一种基于鳍线嵌套人工微结构的片上太赫兹波幅度调制器的制作方法

本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于鳍线嵌套人工微结构的片上太赫兹波幅度调制器。

背景技术：

太赫兹波动态功能器件作为太赫兹通信系统中核心技术之一，如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。与微波相比，太赫兹波的频率更高，因此在作为通信载体时，单位时间内可以承载更多的信息，而且由于太赫兹波的波长更短，它的发射方向性要好于微波。目前已经在全世界范围内形成了一个太赫兹科学技术的研究热潮。从2004年开始，在nature/science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波调制器的文章，对于调制器的调制功能的设计一般是基于半导体材料来进行的，因半导体材料电导率对外加激光、电场、温度等变量比较敏感，通过这些方式改变某一位置的电导率就可以影响相关的频率、幅度、相位来达到调制的功能。

电子信息产业是当前国民经济的重要支柱，而微电子技术是电子信息产业的重要基础。自20世纪末期以来，以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)为代表的第三代宽禁带半导体材料因具有宽禁带、高击穿电压、高电子饱和速率、耐辐照等特点，在通信、雷达、航空、物联网等民用领域以及航天、电子装备等军用领域具有广阔的应用前景。目前宽禁带微波半导体器件主要有sic器件和gan器件。后来随着异质外延技术的突破，ganhemt器件取得了突飞猛进的发展。ganhemt器件不仅具有gan材料固有特性的优势，更重要的是a1gan/gan异质结由于自发极化和压电极化形成的高浓度二维电子气(2-deg)显著提升了电子输运特性，电子迁移率超过2000cm2/v·s。因此ganhemt器件具有更高的射频功率输出能力。ganhemt器件具有的以上优势，使其在新一代固态器件中占有非常重要的地位。

超材料(metamaterials)是一种具有天然媒质所不具有的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质，这些超材料通常从结构而不是组成成分来获得超常属性。由于超材料工作频率与结构设计相关，可以很容易地调整超材料的工作频率。人们通过设计不同尺寸的超材料结构，结合新颖材料，人为控制外界因素变化进而对太赫兹波传输进行调控，通过基于hemt结构和人工超材料结构相结合，可以制备出电控的有效高速的太赫兹调制器，对太赫兹无线通信中具有很大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于鳍线嵌套人工微结构的片上太赫兹波幅度调制器，通过加电压控制hemt二极管的电磁特性实现对人工电磁谐振单元结构中电磁谐振模式的控制，从而对鳍线-波导中传播的太赫兹波进行幅度调制。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种基于鳍线嵌套人工微结构的片上太赫兹波幅度调制器，包括矩形波导、鳍线、外部偏置滤波电路5、第一介质基板和第二介质基板；第一介质基板和第二介质基板的上下表面都镀有金属层，第一介质基板和第二介质基板水平位置相同且呈t形连接；第一介质基板的宽度大于矩形波导的宽度，第一介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边(e面)；

矩形波导的输入端1与输出端4之间由鳍线连接，鳍线刻蚀在第一介质基板的上表面；鳍线中部的一侧刻蚀有两条与鳍线垂直的缝隙，两条缝隙中间形成矩形金属涂覆层(键合区)；鳍线包括波导-鳍线过渡部分2、中间传输区和鳍线-波导过渡部分；鳍线调制部分3位于中间传输区，包括两个调制单元，调制单元包括人工微结构6和hemt二极管7；人工微结构6是“工”字形谐振单元，hemt二极管7位于“工”字形谐振单元的纵向金属杆的中部；hemt二极管7包括两个电极8和掺杂异质结9，掺杂异质结9通过两个电极8与“工”字形谐振单元的纵向金属杆相连；相邻的“工”字形谐振单元的纵向金属杆的上下两段分别通过两根金属线连接，两根金属线分别通过短枝节与鳍线的两侧相连，其中一根金属线接地，另一根金属线接矩形金属涂覆层；

矩形波导在第一介质基板和第二介质基板的连接处开有矩形空气窗，矩形空气窗的宽度≥外部偏置滤波电路5的宽度；外部偏置滤波电路5刻蚀在第二介质基板的上表面；外部偏置滤波电路包括滤波输入端、紧凑的微带谐振单元(compactmicrostripresonantingcell，cmrc)和滤波输出端；滤波输入端和滤波输出端为微带线；滤波输出端的宽度与矩形金属涂覆层的宽度相同；滤波输出端通过键合线与矩形金属涂覆层连接。

第一介质基板的上表面与矩形波导的长边(e面)的中部重合。

波导-鳍线过渡部分2的上边沿由矩形波导输入端1的宽边上边沿曲线延伸至鳍线调制部分的上边沿，波导-鳍线过渡部分2的下边沿由矩形波导输入端1的宽边下边沿曲线延伸至鳍线调制部分的下边沿。

第一介质基板的选材为sic或蓝宝石。

第二介质基板的选材为sio2。

掺杂异质结9的材料为algan/gan、ingan/gan、algaas/gaas、algaas/ingaas或algaas/ingaas/inp，斜线表示两种或三种材料的结合。

电极8的材料为ti、al、ni或au。

人工微结构6和金属线的材料为au、ag、cu或al。

矩形波导的尺寸为wr2.8，具体大小为0.356mm*0.711mm。

通过外部偏置滤波电路加载电压信号控制hemt二极管的连通或断开状态，进而控制人工微结构的谐振状态，实现对矩形波导内部传输的太赫兹波的幅度调制。

本发明的有益效果是：

本发明利用hemt二极管中二维电子气的高电子迁移率特性来快速控制人工电磁媒质的谐振特性，从而实现对太赫兹波的快速调制。通过对谐振结构的巧妙设计并使其与晶体管有机结合在一起，而且该结构具有很强的可塑性：通过改变谐振单元的参数(例如“工”字的横向杆和纵向杆的长度)可以有效地调节调制带宽的大小及调制频带的位置。本发明利用metamaterials设计形成的调制单元是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。在拥有大的调制带宽以及调制深度的同时，该器件可工作于常温、常压、非真空条件下，这些使得该调制器有着良好的实际应用前景。

附图说明

图1为本发明所述太赫兹波幅度调制器的整体结构示意图；

图2为本发明中鳍线的结构示意图；

图3为本发明中调制单元结构示意图；

图4为本发明中外部偏置滤波电路结构示意图；

图5为实施例所述调制器中，未加电压时(hemt连通)鳍线传输状态示意图；

图6为实施例所述调制器中，加电压时(hemt截断)传输曲线仿真图；

图7为实施例所述调制器中，未加电压时(hemt连通)传输曲线仿真图；

图8为实施例所述调制器中，加电压时(hemt截断)传输曲线仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种基于鳍线嵌套人工微结构的片上太赫兹波幅度调制器，其整体结构示意图如图1所示，包括矩形波导、鳍线、外部偏置滤波电路5、第一介质基板和第二介质基板；矩形波导的尺寸为wr2.8，具体大小为0.356mm*0.711mm；第一介质基板和第二介质基板的上下表面都镀有金属层，第一介质基板和第二介质基板水平位置相同且呈t形连接；第一介质基板的选材为sic，第二介质基板的选材为sio2；第一介质基板的宽度大于矩形波导的宽度，第一介质基板贯穿矩形波导腔体壁并放置在矩形波导的长边(e面)；第一介质基板的上表面与矩形波导的长边(e面)的中部重合；

矩形波导的输入端1与输出端4之间由鳍线连接，鳍线刻蚀在第一介质基板的上表面(此时剩余的有金属镀层的部分为接地鳍)；鳍线关于竖直中轴线对称，其结构示意图如图2所示，鳍线中部的一侧刻蚀有两条与鳍线垂直的缝隙，缝隙的宽度为15μm，两条缝隙中间形成矩形金属涂覆层(键合区)；鳍线包括波导-鳍线过渡部分2、中间传输区和鳍线-波导过渡部分；鳍线调制部分3位于中间传输区，包括两个调制单元，其结构示意图如图3所示，调制单元包括人工微结构6和hemt二极管7；人工微结构6是“工”字形谐振单元，hemt二极管7位于“工”字形谐振单元的纵向金属杆的中部；hemt二极管7包括两个电极8和掺杂异质结9，掺杂异质结9通过两个电极8与“工”字形谐振单元的纵向金属杆相连，电极长约10μm；相邻的“工”字形谐振单元的纵向金属杆的上下两段分别通过两根金属线连接，两根金属线分别通过短枝节与鳍线的两侧相连，金属线与电极之间的距离约为40μm，其中一根金属线与接地鳍相连，通过矩形波导腔体壁接地接地，另一根金属线接矩形金属涂覆层(键合区)；两条金属线关于中间传输区的水平中轴线对称；

矩形波导在第一介质基板和第二介质基板的连接处开有矩形空气窗，矩形空气窗的宽度≥外部偏置滤波电路5的宽度；外部偏置滤波电路5刻蚀在第二介质基板的上表面，其结构示意图如图4所示；外部偏置滤波电路包括依次连接的滤波输入端、紧凑的微带谐振单元(cmrc，compactmicrostripresonantingcell)和滤波输出端；滤波输入端和滤波输出端为微带线；滤波输出端的宽度与矩形金属涂覆层的宽度相同；滤波输出端通过键合线与矩形金属涂覆层连接。

该调制器的工作机理是通过外加电压来控制hemt二极管中的二维电子气的浓度，进而来控制人工微结构的谐振状态，从而控制鳍线传输部分的通断特性。具体的调制过程为：调制器中阴极(欧姆接触)通过接地金属线与鳍线一侧相连并通过腔体壁接地，而阳极(肖特基接触)通过外部的偏置滤波电路加载电压。

当正负电压差值为0v时，hemt二极管处于导通状态，“工”字结构的通过hemt二极管连通成为整体，此时谐振器处于工作状态，此结构的谐振频率为0.34thz，从图5和图7可知，这种谐振可以阻断太赫兹波的传输，所以此时该频率的太赫兹波无法通过鳍线传输。当正负电压差为4～10v时，在外加电压差值由零逐渐变大的过程中，hemt二极管中的二维电子气浓度逐渐减小，直至hemt二极管中的二维电子气被耗尽，hemt二极管成为夹断状态，此时“工”字谐振器的电极之间处于断开的状态，从图6和图8可知，谐振器处于非工作状态，此时0.34thz的太赫兹波可以通过鳍线传输至输出波导。

本实施例所述调制器可实现95％以上的调制深度和20ghz的传输带宽，同时对太赫兹波的插损可小于-1.0b以内。