一种对称型太赫兹偏振不敏感人工微结构的制作方法

本发明涉及太赫兹调制器技术领域，具体涉及一种对称型太赫兹偏振不敏感人工微结构。

背景技术：

超表面是一种平面材料，由介质基板上的周期性微观结构阵列组成。它可以被认为是二维超材料，一种由工程亚波长结构组成的新材料，以获得有效的性能。这些人工设计的材料因其能够通过诸如调制器、探测器和发生器和光学滤波器等结构控制和操纵材料的电磁波而得到广泛的应用。近几十年来，超表面技术在太赫兹频率区域得到了广泛的应用。在太赫兹频率范围内，由于缺乏合适的材料，很难开发用于太赫兹技术实现的电子和光学元件。超表面则可以解决这一难题，如今也出现了一些针对太赫兹频率区域而设计的新型设备。设计结构中的共振是设计超曲面电磁特性的关键。一些超表面结构及其相应的共振模式已被广泛研究。电磁特性的几何依赖性对于优化超曲面的共振也是至关重要的。目前，太赫兹器件由于其尺寸较小，在加工中会产生一定的误差，而这些误差也会影响太赫兹器件的部分的结果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如今的许多超表面结构很难同时出现多种不同谐振模式，本发明提供了解决上述问题的一种对称型太赫兹偏振不敏感人工微结构，该结构有多种不同的谐振模式，在te和tm激励下，透射率结果一致，具有偏振不敏感的特点，可用于提高无偏振入射光高速调制器的调制深度。由于高阶谐振模的激励，本发明还可以在高灵敏度生物检测和窄带滤波等各种环境中得到运用。

在本发明中，演示并分析了一种新的超表面，它支持几种不同的共振模式：lc共振、偶极共振和高阶偶极共振。每一个共振都可以通过分析它们的电磁特性来识别和区分，如结构上的透射光谱、电磁场和电流密度分布。对电磁特性的几何依赖性进行了系统的分析，结果表明，几何参数的微小变化对共振频移和传输振幅几乎没有影响。通过提供更多的冗余，这一特性有利于此类结构的制造。此外，设计的结构还独立于几种应用中所需的入射光束偏振状态。

本发明通过下述技术方案实现：

一种对称型太赫兹偏振不敏感人工微结构，包括衬底介质基板，所述衬底介质基板上设置有金属结构，所述金属结构由多个十字金属谐振单元周期性排列组成，每个十字金属谐振单元包括正方形外框和十字形格栅结构，所述十字形格栅结构为正方形外框内部设置的十字形且中心处被隔断的格栅。

所述格栅结构采用金属材料，所述格栅结构包括四个矩形条和四个三角形条，一个矩形条末端对应连接一个三角形条，三角形条的底边与矩形条的宽度相等，且三角形条顶角均指向正方形外框的内中心处，一个矩形条与一个三角形条形成一组，总共形成交叉垂直的四组，且四组在正方形外框的内中心有一个十字形隔断，所述十字形隔断的每条隔断与矩形条呈45度角；相邻三角形条的对边之间相互平行，且平行边之间的距离为1.8～2.3μm，此距离记作间隙宽度。

本发明实现不同应用环境的方案是由金属结构由十字金属谐振单元周期性排列组成，每个十字金属谐振单元包括正方形外框和十字形格栅结构，十字形格栅结构为正方形外框内部设置的十字形且中心处被隔断的格栅；本发明在两个正交极化模式(te模式和tm模式)的透射光谱在频率范围50ghz～500ghz内重叠，该结构具有偏振不敏感的特点，可用于提高无偏振入射光高速调制器的调制深度；本发明共有六个谐振点，后四个谐振点为高阶偶极共振模式，在实际中，这些尖锐的共振在高灵敏度生物检测、窄带滤波、调制等各种应用中可以得到广泛使用。

本发明的对称型中心对称裂环的人工微结构，在te和tm激励下，透射率结果一致，具有偏振不敏感的特点，可用于提高无偏振入射光高速调制器的调制深度。由于高阶谐振模的激励，本发明还可以在高灵敏度生物检测和窄带滤波等各种环境中得到运用。

考虑到只要满足相邻两个三角形条的相邻两条边之间的间距为1.8～2.3μm就可实现本发明，作为进一步的优选方案，四个所述三角形条形状均为等腰直角三角形或者等边三角形。

考虑到所述格栅结构采用金属材料，金属材料为金、银、铝、铜中的任意一种；作为进一步的优选方案，所述格栅结构采用金材质。

作为进一步的优选方案，所述正方形外框的边长为174μm，所述正方形外框的宽度5μm，所述正方形外框的厚度为0.2μm；且所述矩形条、三角形条的厚度均等于所述正方形外框的厚度；所述衬底介质基板形状为正方形，所述衬底介质基板的高度为220μm，一个十字金属谐振单元底部对应部分的衬底介质基板的边长为200μm；所述相邻三角形条的对边之间相互平行，且平行边之间的距离为2.0μm。

考虑到所述衬底介质基板可以选择多种材料来实现，所述衬底介质基板采用砷化镓材料或者陶瓷介质材料或者晶体介质材料或者半导体材料；作为进一步的优选方案，所述衬底介质基板采用砷化镓材料，其相对介电常数为12.9，磁导率为1。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明具有偏振不敏感的特点，可用于提高无偏振入射光高速调制器的调制深度；

2、本发明当部分参数，如：相邻三角形条的对边之间的距离，矩形条的长度、宽度等参数发生微小变化时对该结构结果影响不大，因此本发明在制作时加工误差影响较小；

3、本发明构简单，体积小，集成度高，易于加工。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的多种谐振模式的对称超表面人工微结构整体框图。

图2为本发明的一个谐振单元2的放大图。

图3为本发明的一个谐振单元2的侧视图。

图4为本发明中两种入射波极化模式(te模式、tm模式)下的透射率谱图。

图5为本发明中各个谐振模式的表面电场、电流分布和电流流向图。

图6为本发明的多种谐振模式对称超表面人工微结构的几何参数对谐振模式影响图(即不同几何参数的模拟透射光谱图)。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-衬底介质基板，2-谐振单元，3-正方形外框，4-矩形条，5-三角形条。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1至图6所示，一种对称型太赫兹偏振不敏感人工微结构，包括衬底介质基板1，所述衬底介质基板1上设置有金属结构，所述金属结构由多个十字金属谐振单元2周期性排列组成，每个十字金属谐振单元2包括正方形外框3和十字形格栅结构，所述十字形格栅结构为正方形外框3内部设置的十字形且中心处被隔断的格栅。

所述格栅结构采用金属材料，所述格栅结构包括四个矩形条4和四个三角形条5，一个矩形条4末端对应连接一个三角形条5，三角形条5的底边与矩形条4的宽度相等，且三角形条5的顶角均指向正方形外框3的内中心处，一个矩形条4与一个三角形条5形成一组，总共形成交叉垂直的四组，且四组在正方形外框3的内中心有一个十字形隔断，所述十字形隔断的每条隔断与矩形条4呈45度角；相邻三角形条5的对边之间相互平行，且平行边之间的距离为1.8～2.3μm，此距离记作间隙宽度。

在实施例中，考虑到只要满足相邻两个三角形条5的相邻两条边之间的间距为1.8～2.3μm就可实现本发明，四个所述三角形条5形状均为等腰直角三角形或者等边三角形。

在实施例中，所述衬底介质基板1为砷化镓材料，其相对介电常数为12.9，磁导率为1。同时，基板介质材料还可以采用陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料等材料。

在实施例中，所述格栅结构采用金属材料，金属材料为金、银、铝、铜等金属材料。

如图1至图3所示，图1至图3给出本发明的一个具体实施例，衬底介质基板1采用砷化镓材料，所述格栅结构采用金材料，人工微结构中的各个参数如下：

所述正方形外框3的边长为174μm，所述正方形外框3的宽度5μm，所述正方形外框3的厚度为0.2μm；且所述矩形条4、三角形条5的厚度均等于所述正方形外框3的厚度；

所述衬底介质基板1形状为正方形，所述衬底介质基板1的高度为220μm，一个十字金属谐振单元2底部对应部分的衬底介质基板的边长为200μm，那么本实施例中采用九个谐振单元2周期性排列组成的金属结构，为3×3的一个矩阵；整个衬底介质基板1的总边长为600μm；

所述相邻三角形条5的对边之间相互平行，且平行边之间的距离为2.0μm；矩形条4长为78μm，宽为5μm。

图4显示了两种入射波极化模式(te模式、tm模式)下的透射率，在整个频率范围内，两种模式的透射谱一致，由于任何线性极化的入射波都可以分解成以上两种模式的组成，说明此种结构对于入射波的极化方向不敏感，在某些应用领域，需要极化不敏感超表面器件，例如生物传感器件、调制器，可以利用极化不敏感超表面器件提高信号响应强度以及不同极化入射波的调制强度。

本发明的电场电流分布如图5所示，在垂直入射极化下，谐振点p1的电流流向是开口一端开始沿着环形结构流动至开口一端，且往复运动，电场分布主要集中在开口处，p1为l-c谐振。相似的，谐振点p2的电流流向特点是：在等效电感的金属杆的中部位置，电流强度呈现最大，与此同时，金属杆上下两端电流强度呈现最小，由以上特点，可以判断p2为多个偶极混合谐振。另外，由于偶极谐振为主导模式，p2的q值小于p1。p3～p6主要为更高阶模式，且这类模式的带宽很小，分别为0.5ghz、10.5ghz、2ghz和4.7ghz，在很多应用中具有较高的价值，例如高灵敏的生物传感、滤波、调整等应用技术。其中，q值是谐振电路的品质因数。

图6为本发明人工微结构的几何参数对谐振模式的影响，图6中，d为相邻三角形条5的对边之间的距离，此距离记作间隙宽度；t为所述正方形外框3的厚度；w为正方形外框3的宽度；a为正方形外框3的边长。由图6发现不同的谐振模式对几何参数变化的敏感度不一样，谐振点p1变化最小，谐振点p2～p6有相对明显的变化，但是在实际加工工艺产生的误差对器件性能影响不大，同时可以通过对本发明结构的长度的控制来实现不同工作频率的器件。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。