[发明专利]新型太赫兹超导调制器及调制方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波传输技术领域，特别涉及一种新型太赫兹超导调制器及调制方法。

背景技术

随着太赫兹技术的飞速发展，其在材料特性研究、生物医学、成像、通信等领域展现了重大的科学价值和广阔的应用前景。要实现对太赫兹波切实有效的应用，特别是在太赫兹传输方面，太赫兹调制器之类的功能器件至关重要。随着近年来的研究发展，有人开始提出利用电磁超材料结构实现太赫兹调制器。

电磁超材料的电磁性能高度依赖于其组成的单元几何结构,人们只需要通过设计谐振器的结构就可以灵活地控制其电磁特性，在转换器、开关、调制器等功能器件方面展现了巨大的应用前景，尤其是在信号传输的调制方面。同时，超导超材料与普通金属超材料相比，具有极低的欧姆损耗且对外在环境敏感，具有良好的调谐特性。现有的超导超材料太赫兹调制器多以改变外加温度、磁场、光强进行调控，调控方式较为繁琐，不利于广泛应用，而现有的半导体超材料调制器，所需控制电压较高且调制范围较低，结构较为复杂。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种新型太赫兹超导调制器及调制方法，通过简单的外加控制电压调制，实现对太赫兹信号传输的调控。本发明结构简单、新颖，使用的超导材料氮化铌，在太赫兹波段比常规金属材料具有极低的欧姆损耗，并具有良好的调谐性能，同时可利用很小的电压实现较大的透射峰调制率，调制方法简单快捷。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种新型太赫兹超导调制器(简称“调制器”)的设计及使用电压调制的方法，使得太赫兹频段的谐振器透射峰在外加电压的作用下实现幅度和峰值点频率的调谐。

太赫兹超导调制器设计的单元结构，由鱼鳞状结构谐振器与双L型结构谐振器复合构成。调节鱼鳞状谐振器和双L型谐振器的形状、尺寸，从而调节两部分谐振器复合产生的调制器透射峰。例如，调节鱼鳞状谐振器，使其单独激发的谐振频率为0.6THz，调节双L型谐振器，使其单独激发的谐振频率为0.41THz，将两部分谐振器复合共同激发，在0.53THz处产生透射峰。在基于氧化镁基片的调制器上，单元结构周期排列，每排鱼鳞状结构谐振器彼此连接并联在两端由金膜构成的电极上。

一种利用新型太赫兹超导调制器的调制方法，包括外加电压调控透射峰的幅度与频率，具体包括如下步骤：

(1)将调制器垂直固定在配有光学窗口的低温杜瓦的样品架上，通过导线连接调制器的正负电极导出并与电源表相接，并将搭建好的调制器连同杜瓦放入太赫兹时域光谱系统中合适位置

(2)将杜瓦样品腔抽到真空状态，然后降低并保持样品腔温度在4.5K；

(3)向封闭的太赫兹时域光谱系统充入氮气，使湿度小于5％RH；

(4)通过电源表，向调制器分别外加0～2V间的直流电压；

(5)通过太赫兹时域光谱仪测得4.5K温度下，不同外加电压条件下调制器的透射传输谱；

有益效果：该结构的太赫兹调制器相比以往，结构简单新颖，选用氮化铌超导超材料具有更高的能隙频率和超导转变温度，较普通金属具有极低的欧姆损耗和可调谐性，提高了调制器的性能，具有更高的调制率，同时，调制所需的电压较小，仅为2V。

附图说明

图1为太赫兹超导调制器的单元结构示意图；

图2为太赫兹超导调制器的局部结构示意图；

图3为太赫兹超导调制器整个样品及样品架照片；

图4为本发明的太赫兹调制器的测试样例在0V、2V外加直流电压调制下的传输谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一、设计新型太赫兹超导调制器

为设计新型太赫兹超导调制器的结构，研究了各种各样的超材料结构。但是之前的结构大多较为复杂，调制率不够高，调制所需的外加电压值较大，同时基于超导转变温度与能隙频率较高的氮化铌超导薄膜，我们设计了一种简单的以氧化镁为基片的太赫兹超导调制器结构，示意图如图1所示，该调制器的整体结构为MgO-NbN+Au(电极)，并且在0.53THz附近产生一较明显的透射峰。该氮化铌结构(薄膜)是由鱼鳞状结构谐振器和双L型结构谐振器组成，选择这种结构主要原因在于结构形状比较简单，制作容易，同时每排彼此连接鱼鳞状结构谐振器并联在正负电极上，也可以充当导线的作用。