[发明专利]一种基于人工表面等离激元耦合调控的片上太赫兹开关

说明书

本发明公开了一种基于人工表面等离激元耦合调控的片上太赫兹开关，包括输入\输出结构、SSPPs耦合调控结构、SSPPs共面传输结构和SSPPs模式转换结构，所述输入\输出结构为标准共面波导结构，所述SSPPs耦合调控结构包括深度渐变周期槽、中间信号线与相变材料薄膜，深度渐变周期槽的两端分别与输入结构和SSPPs共面传输结构连接，相变材料薄膜嵌入于所述SSPPs耦合调控结构对应的中间信号线中，所述SSPPs共面传输结构包括两组对称分布金属槽与中间信号线，所述SSPPs模式转换结构为所述SSPPs耦合调控结构的全金属镜像对称结构，无相变材料薄膜嵌入，所述中间信号线贯穿整个太赫兹开关。本发明可实现大带宽、低插入损耗、高开关比、低群延时的太赫兹开关调控。

技术领域

本发明涉及使用于太赫兹波段的电控动态开关器件，具体涉及一种基于人工表面等离激元耦合调控的片上太赫兹开关，属于电磁功能器件技术领域。

背景技术

太赫兹开关是太赫兹无线通信、太赫兹雷达、太赫兹成像等系统中实现信号隔离的关键器件之一，是当前太赫兹功能器件的研究热点之一。

目前太赫兹开关的实现方式主要有片上与准光两种类型。对于片上开关，其利用如InP、GaAs等高性能有源材料，结合1/4波长匹配等技术，实现太赫兹片上开关设计。有文献报道利用50nm栅线GaAs基高电子迁移率晶体管实现了工作于122到330GHz的单刀双掷开关，利用InP DHBT在220到325GHz频段实现单刀双掷开关。对于准光开关，其关键在于通过有源材料控制人工超材料的电磁特性以实现信号通断。例如有文献报道通过基于谐振耦合阵列的磁性超表面实现电磁波传播开关与方向控制；利用复合液晶超表面中太赫兹的极化转换实现了谐振开关；利用电磁诱导透明现象实现可开关超表面。

近年来，也文献报道基于超材料的片上开关/调制器。表面等离子体激元(SurfacePlasmon Polaritons,SPPs)是局域在结构表面的电磁慢波。尽管其具有强烈的色散特性，但其场的高度局域性、结构鲁棒性等特点依然使其成为太赫兹波段传输结构的研究热点之一。这使基于SPPs的开关/调制器也取得了长足发展。据文献报道，可通过在片上光栅周期结构中加载相变材料，调整SPPs的色散特性，实现开关调控。张婷等人通过调整SPPs不同占空比设计开关，器件最小的插入损耗为-5.5dB。同时，在220到280GHz的工作频率范围内，该器件能够提供超过12dB的调控深度，并且在最佳位置处其调制深度可达到36db。

总体来说，受益于晶体管等有源材料、人工超材料的迅猛发展，太赫兹开关得到了长足进步。但是，迅速增长的应用需求向太赫兹功能器件提出了更为严苛的指标要求，如对太赫兹开关而言需要更低的插入损耗、更高的开关比。这使得以上提及的太赫兹开关都面临巨大的挑战。对于片上开关而言，太赫兹波段急剧增大的寄生参数使器件设计难度剧增，性能剧烈下降；对于准光开关而言，加工一致性、附属馈电电路设计等都急需提高；对于基于SPPs的片上开关而言，SPPs本身的上截止频率限制了带宽的进一步提高，此外依赖色散调整实现的开光调控往往位于SPPs的强色散频段，可能导致系统群延时特性恶化。

针对以上现有技术难题，为实现更大带宽、更低插入损耗、更高开关比、更低群延时的太赫兹开关，本发明提出一种基于人工表面等离激元(Spoof Surface PlasmonPolaritons,SSPPs)耦合调控的片上太赫兹开关。通过相变材料薄膜电导率调控太赫兹波从准TEM模式到SSPPs模式的转换过程，利用准静态场的宽频谱特性实现准全频带的高开关比调控；利用SSPPs共面传输结构的弱色散传输形式，实现低插入损耗、低群延时的太赫兹波传输。这样，本发明可实现大带宽、低插入损耗、高开关比、低群延时特性的基于SSPPs耦合调控的片上太赫兹开关。

发明内容