新型太赫茲超導調(diào)制器及調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲波傳輸技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型太赫茲超導調(diào)制器及調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，其在材料特性研究、生物醫(yī)學、成像、通信等領(lǐng)域展現(xiàn)了重大的科學價值和廣闊的應用前景。要實現(xiàn)對太赫茲波切實有效的應用，特別是在太赫茲傳輸方面，太赫茲調(diào)制器之類的功能器件至關(guān)重要。隨著近年來的研究發(fā)展，有人開始提出利用電磁超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)太赫茲調(diào)制器。
[0003]電磁超材料的電磁性能高度依賴于其組成的單元幾何結(jié)構(gòu)，人們只需要通過設計諧振器的結(jié)構(gòu)就可以靈活地控制其電磁特性，在轉(zhuǎn)換器、開關(guān)、調(diào)制器等功能器件方面展現(xiàn)了巨大的應用前景，尤其是在信號傳輸?shù)恼{(diào)制方面。同時，超導超材料與普通金屬超材料相比，具有極低的歐姆損耗且對外在環(huán)境敏感，具有良好的調(diào)諧特性。現(xiàn)有的超導超材料太赫茲調(diào)制器多以改變外加溫度、磁場、光強進行調(diào)控，調(diào)控方式較為繁瑣，不利于廣泛應用，而現(xiàn)有的半導體超材料調(diào)制器，所需控制電壓較高且調(diào)制范圍較低，結(jié)構(gòu)較為復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種新型太赫茲超導調(diào)制器及調(diào)制方法，通過簡單的外加控制電壓調(diào)制，實現(xiàn)對太赫茲信號傳輸?shù)恼{(diào)控。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、新穎，使用的超導材料氮化鈮，在太赫茲波段比常規(guī)金屬材料具有極低的歐姆損耗，并具有良好的調(diào)諧性能，同時可利用很小的電壓實現(xiàn)較大的透射峰調(diào)制率，調(diào)制方法簡單快捷。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種新型太赫茲超導調(diào)制器(簡稱“調(diào)制器”)的設計及使用電壓調(diào)制的方法，使得太赫茲頻段的諧振器透射峰在外加電壓的作用下實現(xiàn)幅度和峰值點頻率的調(diào)諧。
[0006]太赫茲超導調(diào)制器設計的單元結(jié)構(gòu)，由魚鱗狀結(jié)構(gòu)諧振器與雙L型結(jié)構(gòu)諧振器復合構(gòu)成。調(diào)節(jié)魚鱗狀諧振器和雙L型諧振器的形狀、尺寸，從而調(diào)節(jié)兩部分諧振器復合產(chǎn)生的調(diào)制器透射峰。例如，調(diào)節(jié)魚鱗狀諧振器，使其單獨激發(fā)的諧振頻率為0.6THZ，調(diào)節(jié)雙L型諧振器，使其單獨激發(fā)的諧振頻率為0.41THz，將兩部分諧振器復合共同激發(fā)，在0.53THz處產(chǎn)生透射峰。在基于氧化鎂基片的調(diào)制器上，單元結(jié)構(gòu)周期排列，每排魚鱗狀結(jié)構(gòu)諧振器彼此連接并聯(lián)在兩端由金膜構(gòu)成的電極上。
[0007]—種利用新型太赫茲超導調(diào)制器的調(diào)制方法，包括外加電壓調(diào)控透射峰的幅度與頻率，具體包括如下步驟:
[0008](1)將調(diào)制器垂直固定在配有光學窗口的低溫杜瓦的樣品架上，通過導線連接調(diào)制器的正負電極導出并與電源表相接，并將搭建好的調(diào)制器連同杜瓦放入太赫茲時域光譜系統(tǒng)中合適位置
[0009](2)將杜瓦樣品腔抽到真空狀態(tài)，然后降低并保持樣品腔溫度在4.5K ;
[0010](3)向封閉的太赫茲時域光譜系統(tǒng)充入氮氣，使?jié)穸刃∮?% RH ;
[0011](4)通過電源表，向調(diào)制器分別外加0?2V間的直流電壓；
[0012](5)通過太赫茲時域光譜儀測得4.5K溫度下，不同外加電壓條件下調(diào)制器的透射傳輸譜；
[0013]有益效果:該結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制器相比以往，結(jié)構(gòu)簡單新穎，選用氮化鈮超導超材料具有更高的能隙頻率和超導轉(zhuǎn)變溫度，較普通金屬具有極低的歐姆損耗和可調(diào)諧性，提高了調(diào)制器的性能，具有更高的調(diào)制率，同時，調(diào)制所需的電壓較小，僅為2V。
【附圖說明】
[0014]圖1為太赫茲超導調(diào)制器的單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為太赫茲超導調(diào)制器的局部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為太赫茲超導調(diào)制器整個樣品及樣品架照片；
[0017]圖4為本發(fā)明的太赫茲調(diào)制器的測試樣例在0V、2V外加直流電壓調(diào)制下的傳輸譜圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的使用范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0019]一、設計新型太赫茲超導調(diào)制器
[0020]為設計新型太赫茲超導調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，研究了各種各樣的超材料結(jié)構(gòu)。但是之前的結(jié)構(gòu)大多較為復雜，調(diào)制率不夠高，調(diào)制所需的外加電壓值較大，同時基于超導轉(zhuǎn)變溫度與能隙頻率較高的氮化鈮超導薄膜，我們設計了一種簡單的以氧化鎂為基片的太赫茲超導調(diào)制器結(jié)構(gòu)，示意圖如圖1所示，該調(diào)制器的整體結(jié)構(gòu)為MgO-NbN+AU(電極)，并且在
0.53THZ附近產(chǎn)生一較明顯的透射峰。該氮化鈮結(jié)構(gòu)(薄膜)是由魚鱗狀結(jié)構(gòu)諧振器和雙L型結(jié)構(gòu)諧振器組成，選擇這種結(jié)構(gòu)主要原因在于結(jié)構(gòu)形狀比較簡單，制作容易，同時每排彼此連接魚鱗狀結(jié)構(gòu)諧振器并聯(lián)在正負電極上，也可以充當導線的作用。
[0021]為確定該結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，先用基于時域積分算法的電磁場軟件CST進行大量模擬仿真，X與1方向分別設置為電邊界與磁邊界，電磁場傳輸方向沿著z方向，最后根據(jù)傳輸特性確定最佳具體參數(shù)。圖1中氧化鎂基片(簡稱“基片”)的厚度d = 1mm，氮化鈮結(jié)構(gòu)(薄膜)的厚度為150nm，金屬電極厚度200nm, P_x = P_y = 84 μ m。氮化銀材質(zhì)的單元結(jié)構(gòu)中 a = 40 μm，b = 68 μm，c = 62 μm，e = 4 μm，h = 28 μm，s = 7 μm，所有結(jié)構(gòu)線寬w = 5 μ m0
[0022]二、太赫茲超導調(diào)制器器加工制作
[0023]按照如圖1模擬的太赫茲超導調(diào)制器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行實際制作，首先用L-edit軟件將圖1的結(jié)構(gòu)畫出掩膜板文件，再做成掩膜板。接著樣品制作的具體步驟過程如下:
[0024](1)生長氮化鈮薄膜
[0025]首先丙酮、酒精、去離子水超聲清洗大小為lOmmX 10mm,厚度為1mm的氧化鎂基片，采用交流磁控濺射工藝沉積厚度為150nm的氮化鈮薄膜。
[0026](2)甩一層光刻膠
[0027]在氮化銀薄膜上，Μ一層光刻膠ΑΖ1500，預轉(zhuǎn)速600rpm，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速6000rpm，時間分別為6/20秒，烘烤溫度為90°C，時間為10分鐘。
[0028](3)紫外曝光與顯影
[0029]在光刻機上放置涂好光刻膠的基片和掩模板(MASK)并對準，掩膜板結(jié)構(gòu)為周期結(jié)構(gòu)。曝光時間為17秒，曝光完以后接著用正膠顯影液進行顯影，顯影時間為12秒，然后進行后烘，烘烤溫度為90°C，時間為10分鐘。
[0030](4)刻蝕氮化鈮結(jié)構(gòu)
[0031]通過反應離子刻蝕工藝，使用氣體(:冊3和SF6，控制氣體流量40sccm和lOsccm，刻蝕時間3分鐘，在氧化鎂基片的表面加工出周期性的氮化鈮調(diào)制器結(jié)構(gòu)。
[0032](5)甩兩層光刻膠
[0033]在氮化鈮調(diào)制器上，依次甩兩層光刻膠L0R與AZ1500，先甩下層光刻膠L0R，預轉(zhuǎn)速600rpm，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速4000rpm，時間分別為6/40秒，烘烤溫度150°C，時間為5分鐘。再用上層光刻膠AZ1500，預轉(zhuǎn)速600rpm，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速6000rpm，時間分別為6/30秒，烘烤溫度為90°C，時間為10分鐘。
[0034](6)重復第二步，