[发明专利]腔体加载谐振单元嵌套二极管的太赫兹调制器

说明书

本发明提供了一种腔体加载谐振单元嵌套二极管的太赫兹调制器，包括矩形波导和调制芯片，调制芯片设置在矩形波导的腔体壁上；矩形波导上设置有输入波导口和输出波导口；调制芯片包括半导体衬底和置于半导体衬底上的人工微结构；半导体衬底一侧与矩形波导的腔体壁相接触，人工微结构与矩形波导的腔体壁不接触；矩形波导纵向上下两侧壁与调制芯片相接触，矩形波导纵向上下两侧壁上分别设置有空气窗，空气窗用于外部控制电路与芯片上的电极进行电气连接。本发明的调制芯片上的人工微结构采用极少的调制单元，与传统的大阵列设计相比，存在于大阵列结构中的寄生模式被有效抑制，这有利于芯片中二极管高频特性的发挥，从而提高器件的调制速率。

技术领域

本发明涉及电磁功能器件技术领域，具体地，涉及一种腔体加载谐振单元嵌套二极管的太赫兹调制器。

背景技术

由于太赫兹波所处频段及固有特性，太赫兹科学研究在医疗、检测、成像、无线通信等领域都具有重要的应用价值。其中无线通信是电子信息领域的重要发展方向。太赫兹通信具有微波通信和光通信相结合的优点，也成为了实现接近有线数据速率的无线通信的关键，与毫米波频段相比，太赫兹通信的传输带宽更大、安全性能更高，与光频段相比，太赫兹通信更容易跟踪和对准光束，并适应于不方便的气候条件。它具有点对点无线通信的潜力，在一公里范围内总容量高达Tb/s，并且太赫兹波长相对较短，因此天线尺寸较小，使得太赫兹通信系统相对简单和紧凑。由于这些明显的优势，全世界范围内对THz通信进行了广泛的研究。IEEE 802.15早在2008年便成立了太赫兹兴趣小组，并于2017年发布了300GHz频段中的第一个无线通信标准。2019年，6G技术研发组和专家组成立，开启了中国6G研究的篇章。此外，世界无线电通信大会(WRC-19)上，允许识别275-475GHz频率范围内的频带以用于陆地移动和固定通信业务。

太赫兹调制器为太赫兹无线通信系统中的核心器件，能够通过外加激励信号实现对传输的太赫兹波的幅度、相位或者频率等物理参量进行动态调控。然而单一金属不具备动态调控的能力，因此半导体材料的引入为太赫兹载波的动态调控带来了广阔的应用前景。现广泛存在的调制器多采用超材料与半导体材料相结合的准光形式。准光型太赫兹调制器通常依靠光、电、热等手段，将超材料与掺杂硅、掺杂异质结、相变材料、石墨烯、液晶等可变材料相结合，从而改变超材料的反射率或者透射率，然而此类型调制器往往工作在外部的开放空间中，且采用大面阵的人工微结构，阵列中包含成百上千个调制单元，数量过多的单元不仅会给器件引入巨大的寄生电容、寄生电感，单元之间还会被诱导出寄生模式，同时增大了对调制阵列进行电路匹配的难度，这都使得调制信号不能有效地馈入调制阵列中，导致调制器调制速率难以提升。此外，大面阵的人工微结构所对应的外部空间的调制方式使得太赫兹波在被调制的过程中极易受到外部因素的干扰。为了实现有效超高速太赫兹通信，太赫兹调制器则须降低人工微结构中的寄生参量和电路匹配难度，并具备插入损耗小、工作带宽大、调制深度高等高性能。因此太赫兹调制器的不断优化和提升对基于直接调制的太赫兹通信系统有重要的意义。

公开号为CN109298547A的专利文献公开了一种太赫兹调制器和调制方法，包括：波导硅层、石墨烯层、电极和绝缘层；两层石墨烯层之间设置绝缘层，每层石墨烯层的外侧设置波导硅层，每层石墨烯层上设置电极。由于石墨烯是目前发现的电子迁移率最高的材料，因此采用石墨烯作为调制媒质可有效提高太赫兹调制器的调制速度。但是该专利文献仍然存在调制速率难以提升的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种腔体加载谐振单元嵌套二极管的太赫兹调制器。

根据本发明提供的一种腔体加载谐振单元嵌套二极管的太赫兹调制器，包括矩形波导和调制芯片，所述调制芯片设置在所述矩形波导的腔体壁上；

所述矩形波导上设置有输入波导口和输出波导口，所述调制芯片所在平面与所述输入波导口面、所述输出波导口面相垂直；

所述调制芯片包括半导体衬底和置于所述半导体衬底上的人工微结构；所述半导体衬底一侧与所述矩形波导的腔体壁相接触，所述人工微结构与所述矩形波导的腔体壁不接触；