基于双ELC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料

技术领域

本发明属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，涉及的是透射式太赫兹四谐振超材料。

背景技术

随着无线通信和高精度雷达技术的迅速发展，对大数据文件传输和空间高速网络互联的需求日益增加，迫切需要实现Tb/s以上数据传输速率的新型高速无线通信体制。太赫兹波具有丰富的频谱资源(频率为0.1THz～10THz)，只需要适当的带宽效率便能实现100Gb/s以上的数据传输速率。相比毫米波通信和光通信，太赫兹无线通信系统具有不可替代的独特优势，在未来高速短距离无线通信和空间通信等领域具有广泛的应用前景，得到了广泛的关注。

而在太赫兹频段，现有的自然材料不具备理想的电磁特性，难以用来制备太赫兹器件。超材料(Metamaterials)具有自然材料所不具备的超常电磁特性，例如，负折射现象、反常切伦科夫辐射、反常多普勒效应、超分辨成像、隐身、极化旋转能力以及多谐振特性等，在电磁学或光学器件等领域有广阔的应用前景。具有多谐振特性的太赫兹超材料在一定的太赫兹频段内能够产生多个谐振频率不同的谐振峰，可以在不改变结构的前提下同时对多个频率的电磁波产生带通或者带阻效果，对于太赫兹滤波器、开关、调制器等的研制具有重要意义。

对于带阻型超材料，当电磁波入射到超材料表面时，入射波将激发超材料中电子使其产生振荡。根据能量守恒定律，入射波一部分能量被电子吸收维持振荡，另一部分能量将透过超材料以透射波形式继续传播。当在某一频率时，电子振荡产生的场在透射面将抵消透射波产生的场，从而表现出零透射现象。而带阻型多谐振超材料则在多个频点处表现出零透射现象，即存在多个谐振点。由于这种特性，其在雷达罩、天线、滤波器等器件具有广阔应用前景，成为了超材料研究领域的热点之一。

该多谐振太赫兹超材料具有四个低透射率阻带，同时四个谐振峰之间无相互干扰，独立性好。其工作原理完全基于电场响应，包括电偶极子响应与ELC响应。其中电偶极子响应主要对应0.173，0.323THz两个谐振点的产生，ELC响应主要对应于0.481，0.622THz两个谐振点的产生。这种新型太赫兹超材料在满足多谐振，低透过率的条件下，金属结构与基片厚度均有较大电长度。通常太赫兹波段多谐振超材料基片厚度约1/20波长，金属结构最细宽度在微米量级，而本发明的基片厚度约为1/6波长，金属结构最细为十微米量级，可以采用传统光刻工艺进行加工，对加工要求大大降低，节省了加工成本，有效提高了本发明的应用型，易于推广。

2008年美国杜克大学Yu Yuan等人设计并制造了一种基于电谐振耦合的双谐振太赫兹超材料，并在APPLIED PHYSICS LETTERS上发表文章。该超材料的谐振单元也由两个不同的ELC谐振单元组成，但这两个ELC谐振单元仅仅是金属臂长度不同而开口大小相同。该超材料具有两个谐振峰，与组合前相比，第一个谐振峰谐振强度与带宽(‐10dB处)均有提高，但第二个谐振峰谐振强度与带宽被明显削弱。该超材料测试结果显示其在测试频段传输系数整体低于0.5，且该超材料谐振单元金属结构部分最小达到微米量级，对加工工艺要求很高，提高了加工成本。而本发明提出的基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料具有四个谐振峰，与组合前相比，前三个谐振峰在谐振强度与带宽上均有明显增加，第四个谐振峰谐振强度与带宽上略有减小。且在四个谐振点均获得了‐30dB以下的传输系数，具有良好的滤波性能。本发明的超材料电长度较大，对工艺要求较低，控制了加工成本，易于推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多谐振频率、高谐振强度、可设计性、易加工的基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于双ELC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料，包括衬底介质基片和设置于衬底介质基片表面的金属结构层，所述金属结构层上周期性排列有M*N个结构相同的谐振单元，M和N为自然数且M≥2，N≥2，其特征在于，每个谐振单元由两个开口和金属臂长度均不同的谐振器结合构成，谐振器依据下述条件确定：

在单个谐振器仿真状态下，第一个谐振器具有三个谐振峰，第二个谐振器具有两个谐振峰；

在两个谐振器结合的状态下，谐振单元具有四个谐振峰；

所述谐振峰为透过率低于‐15dB的信号峰。

本发明的谐振峰如图5所示，为向下的尖峰。

进一步的，谐振单元为左右对称，第一谐振器为左右轴对称结构，第二谐振器为左右轴对称结构，且二者的左右对称轴重合于谐振单元对称轴。

第一谐振器包括一个矩形的中心金属条，中心金属条的中线与谐振单元对称轴重合，在中心金属条的一侧设置有第一侧臂和第二侧臂，第一侧臂和第二侧臂上下对称，

所述第一侧臂包括皆为矩形的第一长横臂、第一短横臂和第一纵臂；第一纵臂的两端分别连接第一长横臂和第一短横臂，第一纵臂的长边平行于谐振单元的对称轴，第一长横臂的长边和第一短横臂的长边垂直于谐振器的左右对称轴，第一长横臂连接第一纵臂和中心金属条；

所述第二侧臂包括皆为矩形的第二长横臂、第二短横臂和第二纵臂。

所述第二谐振器包括一个矩形的纵向金属条，其中线与谐振单元对称轴重合，在纵向金属条的一侧设置有皆为矩形的第一横臂和第二横臂，所述第一横臂即为第一谐振器的第二长横臂，第一横臂的长边和第二横臂的长边皆垂直于谐振单元对称轴。

本发明提供的基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料，具有以下优点：

(1)本发明利用微纳制造技术加工，相对于利用离子刻蚀、电光晶体等结构实现太赫兹反射式极化器，本发明结构简单、体积小、加工成本低、可控精度高。

(2)本发明具有四个谐振峰，每个谐振峰之间相互独立，无交叉，传输系数可达到均在‐30dB以下，在太赫兹无线通讯、雷达等方面具有重要应用价值。

(3)本发明基于非对称耦合，具有ELC谐振与电偶极子谐振两种谐振模式，相对于组合前谐振单元有更强的谐振强度与更宽的带宽。

(4)本发明可以通过改变相应结构参数从而实现对特定谐振峰中心频率进行调整，并且可以在微波‐太赫兹‐光波频段灵活调解工作范围，大大增加了本发明的普适性。本发明对于制备太赫兹波段无线传输器件具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料三维结构示意图。

图2为本发明仿真结果图。

图3为单个谐振单元结构示意图及尺寸标注。

图4为本发明的ELC1与ELC2谐振器组合示意图；

图5为ELC1谐振器，ELC2谐振器与组合后单元的仿真结果图。

图6为ELC1与ELC2在各自谐振频率附近的电流大小分布图；

图7为组合后的谐振单元在四个谐振频率附近的电流大小分布图。

图8为谐振单元在四个谐振频率附近的电流矢量分布图。

图9为谐振单元装置第一组尺寸参数时仿真结果图。

图10为谐振单元装置第一组尺寸参数时仿真结果图。

图11为谐振单元装置第一组尺寸参数时仿真结果图。

具体实施方式

一种基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料如图1所示，包括信号输入端1、衬底上表面金属结构层2、衬底介质基片3以及信号投射输出端4。所述金属层位于衬底介质基片表面，金属层具有N*N个周期性长方形排列的基于双Electric‐LC的谐振单元，N>20。所述谐振单元由两个开口大小与金属臂长度均不同的ELC谐振器组成，参见图4。ELC1与ELC2在入射平面方向为左右对称结构。衬底介质基片材料可以采用陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料；所述金属谐振结构的线条材料可以为Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金等金属材料。

谐振单元由两个开口大小与金属臂长度均不同的ELC谐振器组合而成，如图3、4所示。在单独仿真时，上部分ELC谐振单元(ELC1)为三谐振，另一个ELC谐振单元(ELC2)为双谐振。

谐振单元为左右对称，谐振单元由第一谐振器和第二谐振器组合构成，第一谐振器为左右轴对称结构，第二谐振器为左右轴对称结构，且二者的左右对称轴重合于谐振单元对称轴。

第一谐振器包括一个矩形的中心金属条10，中心金属条10的中线与谐振单元对称轴重合，在中心金属条10的一侧设置有第一侧臂和第二侧臂，第一侧臂和第二侧臂上下对称，

所述第一侧臂包括皆为矩形的第一长横臂11、第一短横臂12和第一纵臂13；第一纵臂13的两端分别连接第一长横臂11和第一短横臂12，第一纵臂13的长边平行于谐振单元的对称轴，第一长横臂11的长边和第一短横臂12的长边垂直于谐振器的左右对称轴，第一长横臂11连接第一纵臂13和中心金属条10；

所述第二侧臂包括皆为矩形的第二长横臂、第二短横臂和第二纵臂。

所述第二谐振器包括一个矩形的纵向金属条20，其中线与谐振单元对称轴重合，其宽度与第一谐振器的中心金属条相同。

在纵向金属条20的一侧设置有皆为矩形的第一横臂和第二横臂，所述第一横臂即为第一谐振器的第二长横臂，第一横臂的长边和第二横臂的长边皆垂直于谐振单元对称轴。

参见图5，本发明将组合结构的四个谐振峰命名为A1，A2，A3，A4；将ELC1三个谐振峰命名为B1，B2，B3；将ELC2两个谐振峰命名为C1，C2。可以看出与组合前相比时，组合后结构产生的四个谐振峰的谐振频率有适当红移。其中前三个谐振峰的谐振强度与带宽均有明显增加，第四个谐振峰谐振强度与带宽略有减小。且由于B2，C2两个谐振峰的重叠，原有的五个谐振峰变为四个。

参见图6～7，B1，C1，C2三个谐振峰主要由电偶极子谐振产生，B2，B3两个谐振峰主要由ELC谐振产生。并且在ELC1与ELC2组合以后，上下两个谐振器之间的耦合导致了谐振频率有一定程度的红移。

图8为A1，A2，A3与A4四个谐振点的电流矢量分布图，由图可得，在A1，A3两个谐振频峰的中心频率附近，ELC1与ELC2中的电偶极子具有相同方向，从而导致两个电偶极子之间耦合增强，因此组合后A1，A3的谐振强度与带宽均增加。而在A4的中心频率附近，ELC1与ELC2中的电偶极子方向相反，导致电偶极子部分抵消，从而谐振强度与带宽均有减小。在A2中心频率附近，由图5中电流方向可得ELC1的ELC谐振与ELC2的电偶极子谐振之间因电流同向存在耦合，导致A2谐振强度与带宽均增加。

通过调整第一谐振器中两个长横臂之间的距离l₁、和第二谐振器中两个横臂之间的距离l₂的长度，可以控制电偶极子之间的耦合，从而可以对相应的谐振频率进行调节，如图9～10所示。通过调整开口宽度w₃，可以调整ELC谐振中等效电容的大小，从而也可以调节相应的谐振频率，如图11。

实施例：

本实施例的衬底介质基片材料采用晶向为0001的单晶石英晶体，介电常数约为4.41，磁导率为1，损耗正切约为0.0004，厚度h为170m；所述金属谐振结构的线条材料采用电导率为3.72×10⁷S/m，厚度h1为1m的金属铝。

如图3所示，谐振单元金属结构的尺寸参数为：l＝360μm，w＝180μm,l₁＝220μm，l₂＝100μm，l₃＝20μm，l₄＝60μm，l₅＝100m，g＝80μm，w₁＝40μm，w₂＝60μm，w₃＝20μm，l＝170μm，P_x＝400μm，P_y＝200μm。

基于双Electric‐LC非对称耦合结构的四谐振太赫兹波段超材料是利用有限元法，在三维电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中设计。其仿真结果图如图2所示。其中四个谐振频率分别为0.173，0.323，0.481和0.622THz，其对应的传输系数(dB)分别为‐40.01，‐34.31，‐38.21和‐30.15dB。三个传输系数最大值分别为‐1.24，‐0.26和‐0.71dB，对应的频率分别为0.284，0.418和0.545THz。四个谐振峰在‐10dB处的带宽分别为0.074，0.048，0.045和0.029THz。本发明拟采用微纳光刻加工技术，在介质基片上实现周期排列的谐振单元的金属结构。实验方案拟采用太赫兹时域光谱仪或太赫兹矢量网络分析仪对制备的超材料进行测试，测试时应采用TE模式的平面电磁波垂直入射。考虑由于基底材料电参数、金属材料导电率、加工精度和测量设备精度等带来的测量误差，并结合测试结果对极化器模型进行进一步的工程优化有望进一步提高极化器的性能。

本案中的双ELC非对称耦合周期结构，可以根据工作频段的不同，采用不同加工工艺进行加工，比如PCB技术、离子刻蚀技术或光刻技术等。