一種太赫茲波脈沖調(diào)幅信號與光脈沖調(diào)幅信號變換放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種納米尺度的太赫茲波-光波變換放大器件，尤其涉及一種基于導 體-絕緣體-導體(M頂)結(jié)構(gòu)的SPP太赫茲波脈沖調(diào)幅信號直轉(zhuǎn)光脈沖調(diào)幅變換放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，人們對電磁波譜之中各個波段的研究都有了長足的進展，而唯獨在太赫 茲波段(O.lTHz-lOTHz)，人們的研究還欠缺。與目前的無線通信相比，太赫茲波段占據(jù)了更 豐富，更寬闊的頻譜資源，這使其在未來的寬帶無線通信領(lǐng)域有著巨大的潛力和廣闊的應 用前景。調(diào)幅波通信是一種常用的通信方式。在太赫茲調(diào)幅通信系統(tǒng)中，太赫茲調(diào)幅解調(diào)器 是必不可少的器件。
[0003] 目前在太赫茲波探測器的研究上已經(jīng)取得進展，如熱效應探測器、熱敏電阻探測 器、液氦冷卻Si或者Ge熱輻射測量儀、超導混頻技術(shù)以及利用聲子和電子散射冷卻機制發(fā) 展起來的熱電子輻射計，這些技術(shù)可以對太赫茲波進行強度探測。利用頻率基于遠紅外和 微波之間的相干電磁脈沖作為探測源，再用光電導取樣或自由空間的電光取樣方法直接記 錄太赫茲輻射電場的振幅時間波形的太赫茲時域光譜技術(shù)既可以測得太赫茲波的振幅也 可以得到相位信息。雖然這些技術(shù)各有所長，但是體積都過大，對工作環(huán)境的要求相當苛 亥IJ，且所得到的信號非常微弱，需要很高放大倍數(shù)的放大器，所以價格昂貴，不便于實際應 用。這就使得以傳統(tǒng)的太赫茲波探測器為基礎(chǔ)所構(gòu)建的太赫茲調(diào)幅解調(diào)器體積過大，成本 高，不利于實際應用。
[0004] 基于表面等離子激元的波導卻能突破衍射極限的限制，實現(xiàn)納米尺度的光信息處 理和傳輸。表面等離子激元是當電磁波入射到金屬與介質(zhì)分界面時，電磁波和金屬表面的 自由電子親合形成的一種在金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪?。根?jù)表面等離子激元的性質(zhì)，人 們已經(jīng)提出了很多基于表面等離子體結(jié)構(gòu)的器件，例如濾波器、環(huán)形器、邏輯門、光開關(guān)等。 這些器件在結(jié)構(gòu)上都比較簡單，非常便于光路集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種便于集成的基于表面等離子激元 波導的太赫茲波脈沖調(diào)幅信號與光脈沖調(diào)幅信號直接變換放大器。
[0006] 為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明的一種太赫茲波脈沖調(diào)幅信號與光脈沖調(diào)幅信號變換放大器由一個矩形 腔、一個吸收腔、金屬塊、一個豎直波導、一個水平波導、三個金屬膜、一個太赫茲波、一個水 平傳播的參考光組成;所述矩形腔位于太赫茲脈沖波輸入端，所述太赫茲脈沖波的入射端 位于吸收腔的上端，所述吸收腔和豎直波導連接;所述金屬塊設置于豎直波導內(nèi)，且可以移 動;所述豎直波導和水平波導連接;所述參考光的輸出功率與輸入太赫茲脈沖波的功率一 一對應。
[0008] 所述矩形腔內(nèi)的物質(zhì)為高透射率的物質(zhì)。
[0009 ]所述高透射率的物質(zhì)為硅、鍺或砷化鎵。
[0010] 所述吸收腔內(nèi)物質(zhì)為高熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)。
[0011] 所述高膨脹系數(shù)的物質(zhì)為酒精或水銀。
[0012] 所述吸收腔的形狀為圓形、多邊形、橢圓形或不規(guī)則形狀。
[0013] 所述金屬為銀。
[0014] 所述水平波導5和豎直波導4為MIM結(jié)構(gòu)的波導。
[0015] 所述水平波導內(nèi)的介質(zhì)為空氣。
[0016] 所述太赫茲波為加載脈沖幅度信號的太赫茲波。
[0017] 所述參考光為激光或相干光。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0019] 利用傳統(tǒng)的光學探測器就可以將太赫茲波中的調(diào)制信號檢測出來，將便于集成的 基于表面等離子激元波導的太赫茲脈沖幅度調(diào)制信號直接轉(zhuǎn)化為光脈沖幅度調(diào)制信號，極 大降低了太赫茲脈沖調(diào)幅信號的解調(diào)裝置的成本，具有廣泛的應用價值。
[0020] 由于光信號探測器的成本遠小于太赫茲信號的探測成本，使系統(tǒng)的制作成本大為 降低，且在轉(zhuǎn)換過程中調(diào)制信號被大量放大，不需要額外的信號放大器來放大探測信號，進 一步降低了系統(tǒng)的制作成本。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明太赫茲波脈沖調(diào)幅信號與光脈沖調(diào)幅信號變換放大器第一種實施例 二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖中：矩形腔1吸收腔2金屬塊3豎直波導4水平波導5金屬膜6金屬膜7金屬 膜8太赫茲波水平傳播的參考光200
[0023]圖2是圖1所示三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3是太赫茲波脈沖調(diào)幅信號與光脈沖調(diào)幅信號變換放大器第二種實施例二維結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0025] 圖中：矩形腔1吸收腔2金屬塊3豎直波導4水平波導5金屬膜6金屬膜7金屬 膜8太赫茲波100水平傳播的參考光200
[0026]圖4是圖3所示的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖5是信號光輸出功率與太赫茲波輸入功率之間的關(guān)系圖。
[0028] 圖6是信號光輸出功率的數(shù)據(jù)擬合圖。
[0029 ]圖7是實施例1中太赫茲脈沖波的功率為0.5nW的輸出波形變換圖。
[0030]圖8是實施例1中太赫茲脈沖波的功率為InW的輸出波形變換圖。
[0031 ]圖9是實施例1中太赫茲脈沖波的功率為1.2nW的輸出波形變換圖。
[0032 ]圖10是實施例2中太赫茲脈沖波的功率為0.5nW的輸出波形變換圖。
[0033 ]圖11是實施例2中太赫茲脈沖波的功率為InW的輸出波形變換圖。
[0034]圖12是實施例2中太赫茲脈沖波的功率為1.2nW的輸出波形變換圖。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)及其實施例結(jié)合【附圖說明】如下。
[0036] 如圖1和2所示（圖2中省略了結(jié)構(gòu)上面的封裝介質(zhì)），本發(fā)明的變換放大器由一個 矩形腔1、一個吸收腔2 (太赫茲波吸收腔）、金屬塊3、一個豎直波導4、一個水平波導5、金屬 膜6、7、8、一個太赫茲波100、一個水平傳播的參考光200(表面等離子激元)組成;矩形腔1位 于太赫茲脈沖波輸入端，該矩形腔1內(nèi)的物質(zhì)為對控制光有高透射率的物質(zhì)；高透射率的物 質(zhì)采用硅、鍺或砷化鎵，矩形腔寬度1采用150nm-500nm取值范圍；太赫茲波100為加載脈沖 幅度信號的太赫茲波，該太赫茲波本身是調(diào)制信號，是系統(tǒng)的輸入信號;信號光中心波長采 用780nm頻帶半寬采用20nm的頻譜信號，太赫茲脈沖波的中心波長采用3μπι;太赫茲脈沖波 經(jīng)過的周期為Τ，脈寬為t的脈沖波調(diào)幅調(diào)制過的，調(diào)制過的太赫茲脈沖波的周期為Τ，同樣 脈寬為t，周期T采用0. lys-3ms取值范圍，t采用T/4-T/2取值范圍;太赫茲脈沖波的周期T采 用3ms，脈寬t即為lms。參考光采用激光或其他相干光，吸收腔2和豎直波導4連接，該吸收腔 2(太赫茲脈沖吸收腔）內(nèi)的物質(zhì)為，太赫茲波具有高吸收系數(shù)，且高熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)，所 述高膨脹系數(shù)的物質(zhì)采用酒精;吸收腔2(太赫茲波吸收腔)采用圓形腔，半徑為R，其截面積 采用502655nm 2;金屬塊3設置于豎直波導4內(nèi)，且可以移動，移動金屬塊3長度m采用80nm-150nm取值范圍，以125nm長度為最佳，可移動金屬塊3距離水平波導5的距離s采用Onm-150nm距離范圍，且由金屬塊3的位置確定，該金屬塊3采用金或銀，最佳為銀;豎直波導4和 水平波導5連接，豎直波導4和水平波導5為MM結(jié)構(gòu)的波導，即MIM結(jié)構(gòu)的波導為金屬-絕緣 體-金屬結(jié)構(gòu);金屬采用金或銀，金屬采用銀;絕緣體采用透明不導電的物質(zhì);透明不導電物 質(zhì)為空氣、二氧化硅或硅；豎直波導4位于水平波導5的上端；豎直波導4寬度b采用30nm-60nm取值范圍，以35nm寬度為最佳，豎直波導4長度Μ采用200nm以上值，以300nm長度為最 佳;豎直波導4的左邊緣到金屬膜6左邊緣的距離a采用350nm-450nm取值范圍，以400nm為最 佳。水平波導5寬度d采用30nm-100nm取值范圍，以50nm寬度為最佳，水平波導5內(nèi)的介質(zhì)采 用空氣;水平波導5的下邊緣距離金屬膜6的邊緣的距離c采用大于150nm的取值范圍。
[0037] 本發(fā)明通過太赫茲波來加熱吸收腔內(nèi)的酒精，使其膨脹推動可移動金屬塊3向水 平波導5移動來改變豎直波導4內(nèi)空氣段的長度，從而改變參考光的透射率;可移動金屬塊3 往下移動使其到水平波導5距離發(fā)生變化，信號光的透過率也就隨之發(fā)生變化。參考光的輸 出功率與輸入太赫茲脈沖波的功率 對應，由此即可把參考光調(diào)制成光脈沖幅度信號。 這樣太赫茲脈沖幅度調(diào)制信號就完全轉(zhuǎn)化為光脈沖幅度調(diào)制信號，并將調(diào)制信號放大。根 據(jù)硅光探測器伏安特性又可將得到光脈沖的強度信息轉(zhuǎn)化為電信號，這樣非常便于信息的 處理。當太赫茲波不通入吸收腔2時，在外界大氣壓的作用下，金屬塊3又會回到初始壓力平 衡的位置，方便下一個脈沖的到來。
[0038] 本發(fā)明酒精的比熱容是C = 2.4X103J/kg · °C，體積膨脹系數(shù)為aethancil = l.lX10 -3/°C，在室溫(20°C)時密度為P = 0.789g/cm3。銀的線膨脹系數(shù)為aAg = 19.5 X 1(T6/°C，相比 于酒精的膨脹系數(shù)，在相同溫度變化下銀的膨脹可以忽略不計。
[0039]本發(fā)明酒精對太赫茲波吸收遵循Beer-lambert定律，吸收系數(shù)的定義如下：強度 為1〇、頻率為μ的單色激光，通過長度為1的吸收介質(zhì)后，在出射端的光強為I，
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