新型太赫茲超導調制器及調制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于太赫茲波傳輸技術領域，特別涉及一種新型太赫茲超導調制器及調制方法。
【背景技術】
[0002]隨著太赫茲技術的飛速發展，其在材料特性研究、生物醫學、成像、通信等領域展現了重大的科學價值和廣闊的應用前景。要實現對太赫茲波切實有效的應用，特別是在太赫茲傳輸方面，太赫茲調制器之類的功能器件至關重要。隨著近年來的研究發展，有人開始提出利用電磁超材料結構實現太赫茲調制器。
[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構，人們只需要通過設計諧振器的結構就可以靈活地控制其電磁特性，在轉換器、開關、調制器等功能器件方面展現了巨大的應用前景，尤其是在信號傳輸的調制方面。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境敏感，具有良好的調諧特性。現有的超導超材料太赫茲調制器多以改變外加溫度、磁場、光強進行調控，調控方式較為繁瑣，不利于廣泛應用，而現有的半導體超材料調制器，所需控制電壓較高且調制范圍較低，結構較為復雜。
【發明內容】
[0004]發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種新型太赫茲超導調制器及調制方法，通過簡單的外加控制電壓調制，實現對太赫茲信號傳輸的調控。本發明結構簡單、新穎，使用的超導材料氮化鈮，在太赫茲波段比常規金屬材料具有極低的歐姆損耗，并具有良好的調諧性能，同時可利用很小的電壓實現較大的透射峰調制率，調制方法簡單快捷。
[0005]技術方案:為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為一種新型太赫茲超導調制器(簡稱“調制器”)的設計及使用電壓調制的方法，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幅度和峰值點頻率的調諧。
[0006]太赫茲超導調制器設計的單元結構，由魚鱗狀結構諧振器與雙L型結構諧振器復合構成。調節魚鱗狀諧振器和雙L型諧振器的形狀、尺寸，從而調節兩部分諧振器復合產生的調制器透射峰。例如，調節魚鱗狀諧振器，使其單獨激發的諧振頻率為0.6THZ，調節雙L型諧振器，使其單獨激發的諧振頻率為0.41THz，將兩部分諧振器復合共同激發，在0.53THz處產生透射峰。在基于氧化鎂基片的調制器上，單元結構周期排列，每排魚鱗狀結構諧振器彼此連接并聯在兩端由金膜構成的電極上。
[0007]—種利用新型太赫茲超導調制器的調制方法，包括外加電壓調控透射峰的幅度與頻率，具體包括如下步驟:
[0008](1)將調制器垂直固定在配有光學窗口的低溫杜瓦的樣品架上，通過導線連接調制器的正負電極導出并與電源表相接，并將搭建好的調制器連同杜瓦放入太赫茲時域光譜系統中合適位置
[0009](2)將杜瓦樣品腔抽到真空狀態，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充入氮氣，使濕度小于5% RH ;
[0011](4)通過電源表，向調制器分別外加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制器的透射傳輸譜；
[0013]有益效果:該結構的太赫茲調制器相比以往，結構簡單新穎，選用氮化鈮超導超材料具有更高的能隙頻率和超導轉變溫度，較普通金屬具有極低的歐姆損耗和可調諧性，提高了調制器的性能，具有更高的調制率，同時，調制所需的電壓較小，僅為2V。
【附圖說明】
[0014]圖1為太赫茲超導調制器的單元結構示意圖；
[0015]圖2為太赫茲超導調制器的局部結構示意圖；
[0016]圖3為太赫茲超導調制器整個樣品及樣品架照片；
[0017]圖4為本發明的太赫茲調制器的測試樣例在0V、2V外加直流電壓調制下的傳輸譜圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的使用范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0019]一、設計新型太赫茲超導調制器
[0020]為設計新型太赫茲超導調制器的結構，研究了各種各樣的超材料結構。但是之前的結構大多較為復雜，調制率不夠高，調制所需的外加電壓值較大，同時基于超導轉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制器結構，示意圖如圖1所示，該調制器的整體結構為MgO-NbN+AU(電極)，并且在
0.53THZ附近產生一較明顯的透射峰。該氮化鈮結構(薄膜)是由魚鱗狀結構諧振器和雙L型結構諧振器組成，選擇這種結構主要原因在于結構形狀比較簡單，制作容易，同時每排彼此連接魚鱗狀結構諧振器并聯在正負電極上，也可以充當導線的作用。
[0021]為確定該結構的具體參數，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，最后根據傳輸特性確定最佳具體參數。圖1中氧化鎂基片(簡稱“基片”)的厚度d = 1mm，氮化鈮結構(薄膜)的厚度為150nm，金屬電極厚度200nm, P_x = P_y = 84 μ m。氮化銀材質的單元結構中 a = 40 μm，b = 68 μm，c = 62 μm，e = 4 μm，h = 28 μm，s = 7 μm，所有結構線寬w = 5 μ m0
[0022]二、太赫茲超導調制器器加工制作
[0023]按照如圖1模擬的太赫茲超導調制器結構參數進行實際制作，首先用L-edit軟件將圖1的結構畫出掩膜板文件，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，預轉速600rpm，穩定轉速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，掩膜板結構為周期結構。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)刻蝕氮化鈮結構
[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制器結構。
[0032](5)甩兩層光刻膠
[0033]在氮化鈮調制器上，依次甩兩層光刻膠L0R與AZ1500，先甩下層光刻膠L0R，預轉速600rpm，穩定轉速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，預轉速600rpm，穩定轉速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，