《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于二氧化釩的雙開口諧振環(huán)太赫茲透射調(diào)控
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
陳善卓1，宋 陽2，高亞臣1
1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080； 2.遼寧省朝陽師范高等?？茖W(xué)校信息工程系，遼寧 朝陽122000
摘要： 基于二氧化釩(VO2)的溫致金屬-絕緣體相變特性，利用雙開口諧振環(huán)，設(shè)計(jì)了透射頻率可調(diào)的太赫茲器件。利用時(shí)域有限差分法(FDTD)理論研究了該結(jié)構(gòu)的透射特性。結(jié)果表明，當(dāng)外界溫度從25 ℃升高至85 ℃，超過二氧化釩的相變溫度(68 ℃)時(shí)，在0.63 THz和1.91 THz處的透射率由6.3%和0.5%增加至66.6%和45.2%，調(diào)制深度分別達(dá)到82.7%和97.8%，表現(xiàn)出良好的可調(diào)特性。具體分析了諧振吸收的機(jī)理以及溫度調(diào)控的過程。
中圖分類號(hào)： TN202
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200527
中文引用格式： 陳善卓，宋陽，高亞臣. 基于二氧化釩的雙開口諧振環(huán)太赫茲透射調(diào)控[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(9)：132-136.
英文引用格式： Chen Shanzhuo，Song Yang，Gao Yachen. VO2 based modulation of double split ring resonator THz transmission[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(9)：132-136.
VO2 based modulation of double split ring resonator THz transmission
Chen Shanzhuo1，Song Yang2，Gao Yachen1
1.College of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China； 2.Department of Information Engineering，Chaoyang Teachers′ College，Chaoyang 122000，China
Abstract： A terahertz(THz) device with tunable transmission frequency was designed based on the metal-insulator phase transition characteristics of VO2 and double split ring resonator. The transmission characteristics of the structure are studied by using the finite-difference time-domain(FDTD) theory. The results show that when the external temperature rises from 25 ℃ to 85 ℃ and exceeds the phase transition temperature of VO2(68 ℃), the transmittivity at 0.63 THz and 1.91 THz increases from 6.3% and 0.5% to 66.6% and 45.2%, and the modulation depth reaches 82.7% and 97.8% respectively, showing good tunable characteristics. The mechanism of resonant absorption and the process of temperature control are analyzed.
Key words : VO2；terahertz transmission；double split ring resonator；finite difference time domain method

0 引言

    太赫茲波(Terahertz，THz波)是指頻率在100 GHz～10 THz，波長(zhǎng)為0.3～30 mm范圍的電磁波[1]，是電磁波譜上最后一個(gè)被開發(fā)的頻率窗口，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像和病理分析[2-5]、顯微鏡技術(shù)[6-7]、生物分子的無損檢測(cè)[8]、高速通信[9-11]、宇宙空間遙感與探測(cè)[12]等方面。在太赫茲技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，設(shè)計(jì)和制造在太赫茲波段下的調(diào)控器件始終占據(jù)著十分重要的地位，人們通過改變材料結(jié)構(gòu)和組成來獲得一些超常特性的人工材料，其性能超過常規(guī)的天然材料。早期，PENDRY J B等人通過設(shè)計(jì)周期金屬細(xì)線陣列和金屬開口諧振環(huán)陣列，驗(yàn)證了微波波段下的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的存在[13-14]，而后人們通過縮小諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸將負(fù)磁導(dǎo)率擴(kuò)展至太赫茲波段[15-16]。近十幾年來，人們開始廣泛關(guān)注太赫茲波段下的超材料，2012年，LI Z教授等人[17]證明了環(huán)形諧振器組成的多層微結(jié)構(gòu)具有寬帶截止濾波器的特性；2013年，Chen Houtong教授課題組[18]利用金屬亞波長(zhǎng)線柵設(shè)計(jì)了一種基于超薄平面超材料的高效寬帶太赫茲線性振轉(zhuǎn)換器并得到近乎完美的反常折射；2016年美國(guó)西北大學(xué)Sun教授團(tuán)隊(duì)[19]通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一種太赫茲超材料透鏡，0.4～0.6 THz頻率范圍使其成像分辨率接近衍射極限同時(shí)獲得了更優(yōu)于均勻球面透鏡的成像能力，然而上述結(jié)構(gòu)都為太赫茲被動(dòng)器件，其尺寸或結(jié)構(gòu)一旦固定頻譜響應(yīng)也隨之固定，針對(duì)這種情況，許多學(xué)者引入了溫度場(chǎng)[20-21]、電場(chǎng)[22-23]、磁場(chǎng)[24]、機(jī)械場(chǎng)[25]、光場(chǎng)[26-27]，提出了各種結(jié)構(gòu)的可調(diào)控的超材料，來對(duì)太赫茲波段的超材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。

    近年來，二氧化釩(Vanadium dioxide，VO2)因具有典型的可逆絕緣體-金屬相變特性，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，KANG L等人[28]采用聚合物輔助沉積的溶膠-凝膠法制備了均勻、納米級(jí)的多孔VO2薄膜，為智能窗的研究奠定了基礎(chǔ)；寧永剛等人[29]提出了利用VO2良好的光電性能將其用作紅外探測(cè)器的激光防護(hù)材料。二氧化釩的晶格結(jié)構(gòu)在低溫時(shí)表現(xiàn)為單斜金紅石結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高超過其相變溫度(68 ℃)時(shí)變化為四方金紅石結(jié)構(gòu)[30]，即在低于68 ℃時(shí)為絕緣相，表現(xiàn)為絕緣體；高于68 ℃時(shí)為金屬相，表現(xiàn)為導(dǎo)體，VO2獨(dú)特的性質(zhì)可為太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)控提供一份思路[31-32]。

    雙開口諧振環(huán)(Double Split Ring Resonator，DSRR)最早由PENDRY J B等人[14]提出，是構(gòu)造超材料的典型結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的電容以及電感的影響能增加諧振頻率。由此，本文設(shè)計(jì)了一款周期性雙開口諧振環(huán)并在兩個(gè)開口處放置VO2材料的陣列模型，利用FDTD solution軟件研究了其溫度調(diào)控特性。




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作者信息:

陳善卓1，宋  陽2，高亞臣1

(1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080；

2.遼寧省朝陽師范高等專科學(xué)校信息工程系，遼寧 朝陽122000)

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