[发明专利]一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，特别涉及一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法。

背景技术

太赫兹（Terahertz）波是指频率在0.1~10THz（波长为3000~30μm）范围内的电磁波，其波段位于毫米波与红外线之间，是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，有着重要的学术和应用研究价值。近年来，随着THz辐射源及探测技术的发展，THz技术在物理学、材料学、生物医学、天文学和国防等领域的应用得到很大发展。

THz波的瞬时带宽很宽（0.1~10THz），用于通信可以获得高达10GB/s的无线传输速度，远高于目前的宽带技术。同时，THz波相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波和毫米波相比，THz波系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力；与激光相比，THz系统具有视场宽、搜索能力好、适用于恶劣天气条件等优点。因此，THz通信能以极高的带宽进行高保密卫星通信。

对于THz通信，需要使用调制器对传输过程中的THz波进行调制，以控制其强度、相位或者频率。作为THz通信系统中的重要一环，THz波调制器的研究已逐渐成为一个热点。通过探讨和发掘新型功能材料，研究其介电常数、磁导率、折射率等电磁参数可调的特性，可以为THz调制器件的开发提供广泛的思路。中国专利 CN 101881919 A提出一种基于非线性光子晶体的光控THz波调制器，利用光子晶体点缺陷的缺陷模频率的动态迁移来实现对THz波的通、断调制。中国专利 CN 100424550 C和CN 101546047 A分别公开了一种光子晶体THz波调制器装置及其方法、一种光控平板式光子晶体THz波调制装置及其方法，它们利用光子晶体的光子禁带边缘调制THz波信号的方法，对THz波进行强度调制。这类带隙迁移型太赫兹调制器的带隙边缘往往达不到很陡峭，因而其调制性能指标通常不是很理想。近年来，对人工复合的超材料的研究不断取得进展。利用超材料奇异的物理性质，可以实现THz波的频率和强度调制。2006年，Hou-Tong Chen等人首次提出在超材料结构上利用外加偏压激发的方式来调制THz波的幅度（H. T. Chen, W. J. Padilla, A. J. Taylor, et al. Active terahertz metamaterial device. Nature, 2006, 44:597-600）。同年，Padilla等也提出通过外加激光激发的方式来实现基于超材料的THz动态器件的强度可调（W. J. Padilla, A. J. Taylor. Dynamical electric and magnetic Metamaterials response at terahertz frequencies. Phys. Rev. Lett., 2006, 96, 107401:1-4）。该器件是在一块GaAs半导体基片上刻蚀出超材料周期结构，当对器件外加脉冲激光时，半导体基片中的载流子发生变化，从而引起THz波传输幅度的变化和谐振频率的动态蓝移。但是，目前超材料THz动态功能器件普遍存在开关效率和速率低的问题。因此，以超材料结构设计为基础的THz动态器件，需要选择更加合适的核心动态功能材料才能进一步提高THz动态器件的调制效率和速率。选择电性能突变量大、突变迅速的材料替代目前一般的半导体材料是解决上述问题的关键。

作为一种典型的光学和电学开关材料，二氧化钒晶体在68℃会发生单斜结构半导体相二氧化钒(M)和四方结构金属相二氧化钒(R) 之间的可逆相变（SMT），相变过程伴随着光、电等物理性质的急剧变化。同时，其SMT相变过程相当迅速，可以在ps量级完成，且相变前后电阻率的变化最高可达5个数量级。利用这种特性，二氧化钒晶体在非致冷红外焦平面阵列、光存储器件、热敏光电开关等领域的应用研究已取得较大进展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法。

该调制装置由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。其中，二氧化钒薄膜均匀生长在基底表面，然后再在二氧化钒薄膜表面制备金属超材料结构。

所述的二氧化钒薄膜通过溶胶凝胶、溅射、气相沉积、真空蒸发工艺中的至少一种来制备，薄膜厚度为30 ~ 800nm。

所述的基底材料为硅、砷化镓、石英、蓝宝石中的至少一种，其厚度为0.1 ~ 3mm。

所述的金属超材料结构通过刻蚀法在二氧化钒薄膜表面实现。