[发明专利]基于钛酸锶全介质超材料的太赫兹波调制器及其制备方法

说明书

本发明涉及基于钛酸锶全介质超材料的太赫兹波调制器及其制备方法，太赫兹波调制器包括：聚合物柔性衬底层；掺杂半导体外延层：生长在聚合物柔性衬底层表面；生长在半导体硅外延层上的SiO₂绝缘‑钛酸锶微结构复合层：其包括位于下方的SiO₂绝缘层，以及生长在SiO₂绝缘层上的钛酸锶微结构层。与现有技术相比，本发明的制得的调制器的品质因子高、可调性能好和调制深度大，且制备工艺相对简单，适合于规模化生产应用。

技术领域

本发明属于半导体光电材料与器件技术领域，涉及一种基于钛酸锶全介质超材料的太赫兹波调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz)波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，处于宏观电磁理论向微观量子理论的过渡区域，具有频带宽、传输速率高、方向性强以及安全性高等诸多优势，在基础研究和实际应用中都具有广阔的前景。例如，相比于微波波段，THz波具有频率高、信号带宽大和分辨率高等特点，适合于超宽带、超高速的5G通信技术，0.12THz和0.22THz已被作为下一代地面无线通信和卫星间通信。调制技术及器件是THz通信系统的关键组成，发展室温工作、结构紧凑和性能卓越的调制器对于推动太赫兹技术的应用发展有重大意义。近年来人们对THz调制器件进行了广泛研究，但仍有很多技术瓶颈需要解决。例如量子阱调制器需在低温下工作，而液晶调制器对温度敏感、损耗较大、调制速度较慢(KHz)，并且频率调节范围较小(液晶材料在THz波段的双折射率较低)。

超材料(Metamaterials,MMs)又称为“超结构”、“异向介质”或“特异电磁介质”，是通过人工加工或合成的具有周期或准周期结构及特异电磁性质的复合材料结构体系。MMs利用人造谐振胞元(unit cell,meta-molecular)形成新的电磁响应介质，具有天然材料所不具备的异常物理特性，如负磁导率、负电导率等。超材料的性质和功能主要取决于亚波长构造单元的几何形状及其空间分布，可以根据实际需求设计出不同与自然媒质物理性能的功能材料器件。超材料调制器件通常由金属材料构成，损耗主要来自构成材质的欧姆损耗和共振单元的辐射损耗；加之太赫兹波的波长较长，亚波长尺寸的结构单元很难对THz波进行有效束缚。因此，THz波段调制器的品质因子(Q-factor)值一般不高(5)，在很大程度上限制了THz超材料调制器在诸多领域方面的发展应用，如传感器的传感能力，滤波器的滤波特性以及分辨能力等。为满足在波形控制、生物样品分析和无线通讯等众多实际应用领域的需求，迫切需要研制出调制深度大、调制速度快和品质因子高的可调谐THz调制器件。

目前超材料大多采用金属材料进行设计和加工制备，虽然具有易于加工成形的优势,但存在高温烧蚀、高频损耗大和功率承载小等诸多问题。金属MMs主要依靠表面的传导电流实现对电磁波频率选择特性的调控，但根据麦克斯韦方程位移电流在入射波的作用下也具有类似功能作用。如果入射波长与结构尺寸相匹配，高介电常数(Si、Ge)的全介质超材料(all-dielectric metamaterials,ADMs)在外加电磁波的作用下可以激发起谐振很强的位移电流，形成所谓的Mie谐振。类似于金属超材料中的LC谐振和偶极子谐振，ADMs中的Mie谐振也可以产生等效的电偶极子和磁偶极子，并且可以避免金属的色散吸收和能量损耗，有助于品质因子的提高。全介质材料也较易加工出更厚的微结构，在传播方向上相位控制能力方面高于金属结构，容易实现2π的相位调制和高效率的波前控制。总之，相比于金属超材料结构，ADMs中的位移电流损耗很小，有利于获得窄带、高品质因子的共振谱线，还可以支持电偶极子、磁偶极子和多极子共振等多种共振模式，为THz可调谐器件的研制提供了良好的设计平台和灵活多样的调节方法。