基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元

1.本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元，可用于太赫兹通信及6g通信。
技术背景
2.太赫兹波是指频率范围为0.1～10thz的电磁波，在无线通信、电子对抗、雷达、医学成像和安全检查领域具有巨大的应用潜力。特别是，由于太赫兹波相较于微波具有更宽的带宽，基于太赫兹波的通信技术目前已成为6g通信的关键技术之一。目前对太赫兹波的调控方法主要基于电磁超材料展开，并以集成在介质衬底上的周期排列的金属人工微结构单元作为主要的太赫兹调制器设计形式，通过调节人工微结构的尺寸及布局来调控太赫兹波的频率、幅度、相位、极化、方向等传输特性。
3.另一方面，以二氧化钒为代表的相变材料具备有在光照、电压、温度等外部偏置的影响下由绝缘态向金属态转换的相变特性，并主要表现为材料电导率的动态变化。基于二氧化钒等相变材料的有源太赫兹调制器一般通过在衬底上集成二氧化钒等相变材料结构和金属人工微结构构成，其具备在外部控制源控制下动态调控太赫兹波传输特性的能力，在太赫兹通信领域受到广泛关注和研究，成为现有太赫兹波通信技术具体实施平台的发射端的重要组件之一，并发展出有源太赫兹幅度调制器、有源太赫兹相位调制器、有源太赫兹频率调制器等众多分支。其中：在外部控制源的动态控制下，有源太赫兹幅度调制器能够动态调控工作频段上的太赫兹波的透射幅度；有源太赫兹相位调制器能够动态调控工作频段上的太赫兹波的传输相位；有源太赫兹频率调制器能够动态调控太赫兹波的透射频率，可实现对太赫兹通信信道频段的模式切换。
4.所述有源太赫兹幅度调制器，可在发射端上实现对太赫兹波的幅度时间编码，其通过利用采用光照方式的高速外部控制源在时间维度上动态控制太赫兹波的透射幅度，将外部偏置中的时间编码信息直接搬移至太赫兹波段。而接收端对太赫兹时域调制信号的高效信息解码则需要有源太赫兹幅度调制器在相变前后调制的工作频段上的太赫兹波透射幅度具有明显的差异性，这种差异性被定义为良好的幅度调制深度。此外，为实现对太赫兹通信频谱的高效利用，需要有源太赫兹幅度调制器仅实现较窄频带上的太赫兹波幅度调控，且对相邻频段上的太赫兹波透射幅度影响较小。
5.2012年，jianqiang gu团队首先在“active control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials”(nature communications,2012,3(1):1-6)中提出一种经典的基于相变材料的有源太赫兹幅度调制器设计，其单元结构如图1所示。其单元上的金属人工微结构采用由明模切割线和暗模开口环组成的电磁诱导透明eit结构，并通过在暗模开口环的开口处加载相变材料构成有源eit结构，其金属人工微结构自身具备多频带滤波特性以及窄频带透射特性；在相变前后，该调制器可在较窄的频段上实现对太赫兹波的有效幅度调控，并具有良好的幅度调制深度，同时对相邻频段上的透射幅度影响较小，有利于太赫兹通信频谱的高效利用。但是，该调制器
只能对单个窄频带上的太赫兹波进行幅度调控，应用功能较为单一，不能完全适用于未来发射端的通信信道频段的模式切换需求，且系统集成度较低。
6.为增加有源太赫兹幅度调制器的功能，减少发射端内的有源太赫兹调制器的数量，以进一步提高太赫兹通信系统的集成度，weibao he所在团队在“molecularization of meta-atoms for electromagnetically induced transparency resonance and quality-factor switching”(optics express,2021,29(26):42607-42620)中扩展了有源eit结构的设计形式，其单元结构如图2所示，该单元包括由多个开口环和明模切割线组成的eit金属人工微结构，并通过在开口环的开口处加载相变材料构成有源eit结构。该调制器在相变前后具备两种基于eit原理的透射特性，其包括一个较窄频段的透射特性和一个较宽频带的透射特性，可用于实现对太赫兹通信信道频段的模式切换，同时在相变材料的相变过程中实现对eit透射频段内的幅度调控。但是，在相变前后及相变过程中，由于该调制器的幅度调制深度有限，不利于接收端对太赫兹时域调制信号的高效信息解码，且信道频段的切换对相邻频段上的透射幅度影响明显，导致对太赫兹频谱的利用率以及通信系统集成度降低。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元，以在不干扰相邻高频段的透射幅度特性的前提下，实现对太赫兹通信信道频段的模式切换，提升太赫兹频谱的利用率以及通信系统集成度，并提高接收端对太赫兹时域调制信号的信息解码效率。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
9.一种基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元，包括衬底1和位于衬底1上的明模切割线2、暗模开口环3及矩形开关4，其特征在于：
10.所述明模切割线2与暗模开口环3之间的距离d满足3w＜d＜p，其中w、p分别为明模切割线2的线宽和衬底1的宽度；
11.所述矩形开关4位于明模切割线2与暗模开口环3之间，且与明模切割线2的长边相接，其顶部与暗模开口环3带有开口的一边平齐。
12.进一步，所述暗模开口环3为呈“吅”字形排布的两个，所述明模切割线2垂直位于两个暗模开口环3之间，该两个暗模开口环3的开口方向朝上。
13.进一步，所述暗模开口环3为呈“吕”字形排布的两个，所述明模切割线2垂直位于两个暗模开口环3的同一侧，该两个暗模开口环3的开口方向相对，且与明模切割线2平行。
14.进一步，所述暗模开口环3为呈字形排布的四个，所述明模切割线2垂直位于四个暗模开口环3之间，该四个暗模开口环3的开口方向均与明模切割线2平行，且位于明模切割线2同一端的两个暗模开口环3开口方向一致，位于明模切割线2同一侧的两个暗模开口环3开口方向相对。
15.进一步，所述暗模开口环3开口的底边与明模切割线2的一端对齐，其开口与暗模开口环3的中心对齐。
16.进一步，所述暗模开口环3宽度a≤0.5s、高度b≤0.5s、线宽c≈w、开口宽度g≤a-2c，并满足2a+2b-4c-g≈s-w，其中s为明模切割线2的高度，s＜0.5λ，λ为调制器工作频点的
波长。
17.进一步，所述明模切割线2和暗模开口环3均采用电导率σ＞1
×
107s/m的金属材料，其厚度t1满足0.2μm≤t1≤0.4μm。
18.进一步，所述矩形开关4宽度j≤d、高度k≤b、厚度t2满足0.2μm≤t2≤0.4μm，其中b为暗模开口环3的宽度。
19.进一步，所述衬底1的宽度p满足s＜p＜1.5s，其高度q满足s＜q＜1.5s，其厚度h满足h＜0.1mm或h＞0.5mm，其中s为明模切割线2的高度。
20.进一步，所述衬底1的材质为硅、氧化硅、氧化铝、蓝宝石、聚酰亚胺中的任意一种介质；所述矩形开关4的材质为二氧化钒，其数量与暗模开口环3的数量相同。
21.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
22.第一，本发明由于将矩形开关设置在明模切割线与暗模开口环之间，且与明模切割线的长边相接，可增强暗模开口环与明模切割线之间的耦合，使得基于该调制器单元的太赫兹幅度调制器在窄频带透射和宽频带透射两种状态之间进行切换，以实现对太赫兹通信信道频段的模式切换，且该切换过程对相邻高频段的透射幅度特性干扰较小，有利于提升太赫兹频谱的利用率以及通信系统集成度。
23.第二，本发明通过调节矩形开关的宽度和暗模开口环与明模切割线之间的距离，能实现宽频带透射频段上的透射幅度最大值所对应的频点与窄频带透射频段附近的低频反射频点的重合，可使基于该调制器单元的太赫兹幅度调制器在该频点达到90％以上的幅度调制深度，有利于提高接收端对太赫兹时域调制信号的信息解码效率。
附图说明
24.图1为现有文献1的结构示意图；
25.图2为现有文献2的结构示意图；
26.图3为本发明的第一实施例结构示意图；
27.图4为用本发明第一实施例组成的调制器结构示意图；
28.图5为本发明的第二实施例结构示意图；
29.图6为用本发明第二实施例组成的调制器结构示意图；
30.图7为本发明的第三实施例结构示意图；
31.图8为用本发明第三实施例组成的调制器结构示意图；
32.图9为本发明第一实施例的单元频域透射特性曲线图；
33.图10为本发明第一实施例的单元表面磁场分布图；
34.图11为本发明第二实施例的单元频域透射特性曲线图；
35.图12为本发明第三实施例的单元频域透射特性曲线图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步说明。
37.实施例1：
38.参照图3，本实例基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元包括衬
底1、明模切割线2、两个暗模开口环3及两个矩形开关4；其中，暗模开口环3与明模切割线2排布在衬底1的同一表面，两个暗模开口环3镜像排布在明模切割线2的左右两侧，该两个暗模开口环3的开口方向朝上，其开口的底边与明模切割线2的下端对齐，且开口位置与暗模开口环3自身的中心对齐；每个矩形开关4位于明模切割线2与暗模开口环3之间，且与明模切割线2和暗模开口环3相接，其顶部与暗模开口环3带有开口的一边平齐。
39.所述明模切割线2宽度w＝4μm、高度s＝90μm；暗模开口环3宽度a＝26μm、高度b＝29μm、线宽c＝4μm、开口宽度g＝4μm；明模切割线2与暗模开口环3之间的间距d＝24μm；明模切割线2与暗模开口环3的厚度t1＝0.2μm,其材质均为au，电导率σ
au
＝4.561
×
107s/m。
40.所述矩形开关4，其宽度j＝d、高度k＝29μm、厚度t2＝0.2μm，材质为二氧化钒，介电常数ε
r_vo2
＝10.7，绝缘态下的电导率为10s/m，当受到外界温度或激光照射激发时，呈现金属态，电导率最高为3
×
105s/m。
41.所述衬底1，其宽度p＝110μm、高度q＝110μm、厚度h＝10μm，材质为聚酰亚胺，其相对介电常数ε
r_polymide
＝3.5，损耗角正切tanδ＝0.0027。
42.将上述单元按照正四边形周期排布为阵列组成调制器，如图4所示，用于实现对太赫兹波的调制。
43.实施例2：
44.参照图5，本实例基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元，包括衬底1、明模切割线2、两个暗模开口环3及两个矩形开关4；其中，暗模开口环3与明模切割线2排布在衬底1的同一表面，两个暗模开口环3呈“吕”字形垂直排布在明模切割线2的右侧，该两个暗模开口环3的开口方向相对，其开口的底边分别与明模切割线2的两个端点对齐，且开口位置与暗模开口环3自身的中心对齐；每个矩形开关4位于明模切割线2与暗模开口环3之间，且与明模切割线2的长边相接，其顶部与暗模开口环3带有开口的一边平齐。
45.所述明模切割线2宽度w＝4μm、高度s＝90μm；暗模开口环3宽度a＝28μm、高度b＝29μm、线宽c＝4μm、开口宽度g＝4μm；明模切割线2与暗模开口环3之间的间距d＝20μm；明模切割线2与暗模开口环3的厚度t1＝0.3μm,其材质均为au，电导率σ
au
＝4.561
×
107s/m。
46.所述矩形开关4，其宽度j＝18.7μm、高度k＝29μm、厚度t2＝0.3μm，其材质为二氧化钒，介电常数ε
r_vo2
＝10.7，绝缘态下的电导率为10s/m，当受到外界温度或激光照射激发时，呈现金属态，电导率最高为3
×
105s/m。
47.所述衬底1，其宽度p＝100μm、高度q＝100μm、厚度h＝10μm，材质为水晶，其相对介电常数ε
r_quartz
＝3.75，损耗角正切tanδ＝0.0004。
48.将上述单元按照正四边形周期排布为阵列组成调制器，如图6所示，用于实现对太赫兹波的调制。
49.实施例3：
50.参照图7，本实例基于二氧化钒的耦合增强式太赫兹带宽幅度调制器单元，包括衬底1、明模切割线2、四个暗模开口环3及四个矩形开关4；其中，暗模开口环3与明模切割线2排布在衬底1的同一表面，四个暗模开口环3呈字形镜像排布在明模切割线2的左右侧，且位于明模切割线2的同一侧的两个暗模开口环3的开口方向相对，其开口的底边分别与明模切割线2的两个端点对齐，该开口位置与暗模开口环3自身的中心对齐；每个矩形开关4位于明模切割线2与暗模开口环3之间，且与明模切割线2的长边相接，其顶部与暗模开口环3
带有开口的一边平齐。
51.所述明模切割线2宽度w＝25μm、高度s＝485μm；暗模开口环3宽度a＝150μm、高度b＝160μm、线宽c＝25μm、开口宽度g＝25μm；明模切割线2与暗模开口环3之间的间距d＝95μm；明模切割线2与暗模开口环3的厚度t1＝0.4μm,其材质均为al，电导率σ
al
＝3.56
×
107s/m。
52.所述矩形开关4，其宽度j＝95μm、高度k＝160μm、厚度t2＝0.4μm，其材质为二氧化钒，介电常数ε
r_vo2
＝10.7，绝缘态下的电导率为10s/m，当受到外界温度或激光照射激发时，呈现金属态，电导率最高为3
×
105s/m。
53.所述衬底1，其宽度p＝530μm、高度q＝530μm、厚度h＝5mm，材质为蓝宝石，其相对介电常数ε
r_sapphire
＝8.88。
54.将上述单元按照正四边形周期排布为阵列组成调制器，如图8所示，用于实现对太赫兹波的调制。
55.本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
56.一.仿真条件
57.使用仿真软件cst对调制器单元进行仿真，设置仿真边界条件为周期边界条件。
58.二.仿真内容与结果：
59.仿真1，在上述条件下，对本发明实施例1的频域透射特性进行仿真，结果如图9所示。其中，图9(a)为矩形开关4处于绝缘态下，参数d＝2μm和24μm时的单元频域透射特性曲线；图9(b)为参数d＝24μm时，矩形开关4分别处于绝缘态和金属态下的单元频域透射特性曲线。
60.由图9(a)可以看出，增大明模切割线2与暗模开口环3之间的间距d可以使单元的透射频段向高频移动，并使透射频段变窄，其中，参数d＝2μm时的单元透射频点与参数d＝24μm时的单元低频反射频点均为1.062thz；
61.由图9(b)可以看出，当矩形开关4由绝缘态变为金属态时，可以使单元的低频反射频点和透射频段向低频移动，并使透射频段变宽，且矩形开关4处于绝缘态下的单元低频反射频点与矩形开关4处于金属态下的单元透射频点均为1.062thz，该频点处的幅度调制深度约为91.8％；此外，该两条单元透射曲线的高频反射频点相近，且此频点右侧的频段上的透射幅度差别较小。
62.仿真2，在上述条件下，对本发明实施例1在频率1.062thz下的表面磁场分布进行仿真，结果如图10所示。其中，图10(a)为矩形开关4处于绝缘态下，参数d＝2μm时的单元表面磁场分布图；图10(b)为矩形开关4处于绝缘态下，参数d＝24μm时的单元表面磁场分布图；图10(c)为矩形开关4处于金属态下，参数d＝24μm时的单元表面磁场分布图。
63.由图10(a)可以看出，磁场能量主要分布在明模切割线2与暗模开口环3上，其中大部分能量分布在暗模开口环3上；
64.由图10(b)可以看出，磁场能量主要分布在明模切割线2与暗模开口环3上，其中大部分能量分布在明模切割线2上；
65.由图10(c)可以看出,磁场能量主要分布在明模切割线2与暗模开口环3上，其中大部分能量分布在暗模开口环3上。
66.仿真3，在上述条件下，对本发明实施例2的矩形开关4分别处于绝缘态和金属态下
的频域透射特性进行仿真，结果如图11所示。
67.由图11可以看出，当矩形开关4由绝缘态变为金属态时，可以使单元的低频反射频点和透射频段向低频移动，并使透射频段变宽，且矩形开关4处于绝缘态下的单元低频反射频点与矩形开关4处于金属态下的单元透射频点均为0.999thz，该频点处的幅度调制深度约为93.3％；此外，该两条单元透射曲线的高频反射频点相近，且此频点右侧的频段上的透射幅度差别较小。
68.仿真4，在上述条件下，对本发明实施例3的矩形开关4分别处于绝缘态和金属态下的频域透射特性进行仿真，其相对于相同尺寸的纯衬底结构的归一化频域透射特性结果如图12所示。
69.由图12可以看出，当矩形开关4由绝缘态变为金属态时，可以使单元的低频反射频点和透射频段向低频移动，并使透射频段变宽，且矩形开关4处于绝缘态下的单元低频反射频点与矩形开关4处于金属态下的单元透射频点均为0.11716thz，该频点处的幅度调制深度为93.4％；此外，该两条单元透射曲线的高频反射频点相近，且此频点右侧的频段上的透射幅度差别较小。
70.结合图9(a)，对比图10(a)和图10(b)可知，增大明模切割线2与暗模开口环3之间的间距将导致位于1.062thz处的透射频点变为反射频点，使得耦合被削弱。
71.结合图9(b)，对比图10(b)和图10(c)可知，通过将矩形开关4由绝缘态向金属态进行切换，可以使得位于1.062thz处的低频反射频点再次变为透射频点，增强了耦合效果。
72.以上仿真结果表明，本发明可通过对矩形开关的不同布局以实现在其从绝缘态向金属态切换的过程中，完成对窄频带透射和宽频带透射两种状态的切换，该切换过程对相邻高频段的透射幅度特性干扰较小，且可通过优化单元结构使得切换前后的窄频带透射曲线的低频反射频点与宽频带透射曲线的透射频点重合，实现良好的幅度调制深度。
73.以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，例如，衬底材质除了实施例中所使用的聚酰亚胺、水晶、蓝宝石外，还可以使用硅、氧化硅或氧化铝，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。