《电子技术应用》
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基于二氧化钒的双开口谐振环太赫兹透射调控
2020年电子技术应用第9期
陈善卓1,宋 阳2,高亚臣1
1.黑龙江大学 电子工程学院,黑龙江 哈尔滨150080; 2.辽宁省朝阳师范高等专科学校信息工程系,辽宁 朝阳122000
摘要: 基于二氧化钒(VO2)的温致金属-绝缘体相变特性,利用双开口谐振环,设计了透射频率可调的太赫兹器件。利用时域有限差分法(FDTD)理论研究了该结构的透射特性。结果表明,当外界温度从25 ℃升高至85 ℃,超过二氧化钒的相变温度(68 ℃)时,在0.63 THz和1.91 THz处的透射率由6.3%和0.5%增加至66.6%和45.2%,调制深度分别达到82.7%和97.8%,表现出良好的可调特性。具体分析了谐振吸收的机理以及温度调控的过程。
中图分类号: TN202
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200527
中文引用格式: 陈善卓,宋阳,高亚臣. 基于二氧化钒的双开口谐振环太赫兹透射调控[J].电子技术应用,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

    太赫兹波(Terahertz,THz波)是指频率在100 GHz~10 THz,波长为0.3~30 mm范围的电磁波[1],是电磁波谱上最后一个被开发的频率窗口,广泛应用在医学成像和病理分析[2-5]、显微镜技术[6-7]、生物分子的无损检测[8]、高速通信[9-11]、宇宙空间遥感与探测[12]等方面。在太赫兹技术的发展进程中,设计和制造在太赫兹波段下的调控器件始终占据着十分重要的地位,人们通过改变材料结构和组成来获得一些超常特性的人工材料,其性能超过常规的天然材料。早期,PENDRY J B等人通过设计周期金属细线阵列和金属开口谐振环阵列,验证了微波波段下的负介电常数和负磁导率的存在[13-14],而后人们通过缩小谐振环的结构尺寸将负磁导率扩展至太赫兹波段[15-16]。近十几年来,人们开始广泛关注太赫兹波段下的超材料,2012年,LI Z教授等人[17]证明了环形谐振器组成的多层微结构具有宽带截止滤波器的特性;2013年,Chen Houtong教授课题组[18]利用金属亚波长线栅设计了一种基于超薄平面超材料的高效宽带太赫兹线性振转换器并得到近乎完美的反常折射;2016年美国西北大学Sun教授团队[19]通过3D打印技术设计制作了一种太赫兹超材料透镜,0.4~0.6 THz频率范围使其成像分辨率接近衍射极限同时获得了更优于均匀球面透镜的成像能力,然而上述结构都为太赫兹被动器件,其尺寸或结构一旦固定频谱响应也随之固定,针对这种情况,许多学者引入了温度场[20-21]、电场[22-23]、磁场[24]、机械场[25]、光场[26-27],提出了各种结构的可调控的超材料,来对太赫兹波段的超材料进行动态调控。

    近年来,二氧化钒(Vanadium dioxide,VO2)因具有典型的可逆绝缘体-金属相变特性,在众多领域得到广泛应用。例如,KANG L等人[28]采用聚合物辅助沉积的溶胶-凝胶法制备了均匀、纳米级的多孔VO2薄膜,为智能窗的研究奠定了基础;宁永刚等人[29]提出了利用VO2良好的光电性能将其用作红外探测器的激光防护材料。二氧化钒的晶格结构在低温时表现为单斜金红石结构,当温度升高超过其相变温度(68 ℃)时变化为四方金红石结构[30],即在低于68 ℃时为绝缘相,表现为绝缘体;高于68 ℃时为金属相,表现为导体,VO2独特的性质可为太赫兹波的动态调控提供一份思路[31-32]

    双开口谐振环(Double Split Ring Resonator,DSRR)最早由PENDRY J B等人[14]提出,是构造超材料的典型结构,内环与外环之间的电容以及电感的影响能增加谐振频率。由此,本文设计了一款周期性双开口谐振环并在两个开口处放置VO2材料的阵列模型,利用FDTD solution软件研究了其温度调控特性。




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作者信息:

陈善卓1,宋  阳2,高亚臣1

(1.黑龙江大学 电子工程学院,黑龙江 哈尔滨150080;

2。辽宁省朝阳师范高等专科学校信息工程系,辽宁 朝阳122000)

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