可切换的太赫兹带通或带阻滤波器通过混合二氧化钒材料

文摘

到目前为止,研究进行了可切换的和多样化的功能集成到一个超材料的太赫兹(太赫兹)的范围内。在这里,一个混合的二氧化钒(签证官₂)超材料设计带通滤波器和带阻滤波器的可切换的性能在0.3 - -1.6太赫兹的频率范围。仿真表明,在TE偏振,提出系统作为带阻滤波器的中心频率0.95太赫兹当签证官₂在绝缘状态。在签证官的变换₂进入金属状态,提出系统表现为带通滤波器的透射率> 80%。带通和带阻转换的物理机制是研究通过分析表面电流分布的设备而设计的。这种结构的可切换的特点可以使其广泛应用于可调太赫兹功能组件如振幅调节器、极化控制和智能开关。

1。介绍

超材料是人工定期安排单元组成的复合材料表现出一些非凡的电磁特性包括一个负的折射率(1),电磁感应透明2),和完美的吸收3]。最近,超材料吸收器显示隐身技术中的应用潜力巨大,检测和通信。2008年,兰迪等人提出的概念metamaterial-based完美吸收器(3]。由于存在差距在太赫兹范围内,各种超材料吸收器模型与不同的太赫兹频率(例如,单带(4),多波段(5,6),和宽带吸收器(7- - - - - -9])。但是,早期的太赫兹吸收展览一个谐振模式及其吸收性能nontunable,限制其潜在的用于实际应用。因此,迫切需要发展的一个可调减震器可以调光的吸收性能,热或电励磁的(10,11]。

签证官₂是一种理想的热控制材料发生相变的绝缘状态的金属状态在67°C (12]。由于这种转变,太赫兹波的透射率变化明显的相变前后,这样太赫兹波的振幅在一定程度上可以控制相变。另外,签证官₂的超材料,表现出优势,比如高调制深度、插入损耗低、多个驱动方法,和良好的重复性目前发展的一些主要候选人的设备来实现对太赫兹波的控制。外部的影响下光和热激发,签证官₂可重构超材料已被证实能实现各种功能,如可调窄带滤波器(13),可调宽带吸收器(14),和高速调幅器(15]。然而,包含额外的激光和加热器对集成组件可能产生重大影响,抗干扰能力,生产成本这样的签证官₂的设备。因此,电励磁的首选方法是实现超材料的动态重构。不幸的是,签证官电兴奋₂基于可重构超材料报道迄今表现出各种局限性和缺点。宋等人报道,例如,在2011年一个电兴奋签证官₂可重构的超材料。然而,重新配置所需的电压高达500 V (16]。基于这种方法在后续工作,刘等人设计了一个多层复合结构来实现高速调制中红外信号触发时间只有0.25秒。然而,当前所需的操作这个设备是高达417]。2017年,周等人的签证官₂成一个网格的形式,然后插入中间的金属梳子,获得87%的调制深度的宽频率范围0.4 - -1.2太赫兹和减少所需的电流0.5 a。然而,这个设备必须预热约68°C操作(18]。最近,公园等人捏造一个窄带滤波器在太赫兹频段巧妙设计上签证官的金属结构₂可重构超材料和使用金属结构的强耦合特点,这样驾驶所需的只有5.5 V电压。然而,制造设备显示高插入损耗,最大传输速率仅为43% (19]。

总之,调查的电兴奋签证官₂超材料的研究和开发已经引起了强烈的关注太赫兹功能设备。由于需要确保低插入损耗,目前的研究工作都集中在支持更灵活的功能,更高的调制深度,更快的响应速度,降低这些设备的驱动功率。在太赫兹滤波器的发展,陈等人提出了一个可调的太赫兹吸收器与multidefect combination-embedded签证官₂膜结构,可以控制签证官的相变₂通过改变外部环境温度的变化,使吸收率从99.8%到1.0%(在两个频率20.]。马等人介绍了分形的概念设计科赫曲线和一种新型太赫兹带通滤波器制作的。他们表明,滤波器的共振频率是0.715太赫兹透射系数达到了0.92,−3 dB带宽21.9 GHz (21]。李等人提出了一个可切换的双重控制基于混合graphene-VO宽带太赫兹吸收器₂超材料。数值模拟表明,宽带吸收带的振幅(1.69 - -3.21太赫兹)可以动态调整调整电子导电率从25.4%到99.2%的签证官₂(22]。张等人提出了一个钒dioxide-based多层超材料吸收的双官能团的性质和极化转换。发现设计系统表现为单波段吸收器在二氧化钒金属状态和行为作为一个正交偏振转换器在二氧化钒处于绝缘状态(23]。陈等人的双重功能,实现完美的在一个超材料吸收和高传播通过引入二氧化钒薄膜成多层结构。他们的设备作为一个窄带吸收体当二氧化钒在导通状态时,作为透明导电金属二氧化钒处于绝缘状态(24,25]。

在这项工作中,用金属结构材料过滤单元组成的两个横向放置铆接金属振荡器和一个垂直金属条是由电磁模拟设计和检查。矩形签证官₂电影是坐落在金属结构。仿真结果表明,在TE模式下,当签证官₂在绝缘状态,这个设备展览的特点与带阻带阻滤波器中心频率0.95太赫兹。当签证官₂改为金属状态,设备的带阻特性逐渐消失,传播在中央频率从1%上升到80%,而在其他频带传输逐渐减少,设备表现出带通特性。

2。设备结构设计

在这个工作中,一种商业全波2019 CST微波工作室仿真软件(美国3 ds)是用来模拟设备。图1(一)示意图说明了三维单元提出了太赫兹滤波器的结构,而图1 (b)显示单元结构的侧面。在这里,太赫兹波的电场沿x方向(TE模式),磁场的太赫兹波是沿y太赫兹波的方向和入射方向是正常的发病率。

整个装置是一种多层结构,侧面的单元结构如图1 (b)。从下到上,设备由硅衬底(介电常数ε= 11.9),氮化硅(ε= 7,损耗角正切= 0.05)和一个金属层(铝、电子电导率σ= 3.56×107 S / m)矩形签证官₂电影嵌入在氮化硅层的中心。图1显示了金属结构的俯视图和签证官₂电影。金属单元结构由两个水平铆接金属振荡器和一个垂直的金属条,和矩形签证官₂层直接坐落在金属结构,l₁和l₂单元边长,是所有金属的线宽,l是签证官的宽度₂(签证官₂长度是l₂),年代表示铆接振荡器之间的间隔和金属条。所有的单位都是定期安排,上面是连接到正极,而较低的一边连接到负极,以便设备结构组成如图1。过滤器尺寸约1厘米×1厘米,和左和右电极的宽度大约是60μm。仿真中使用的硅层的厚度是35μ米,氮化硅层的厚度为500 nm,和签证官的厚度₂层在中间是120海里。最后将优化的结构参数l₁=l₂= 85μ米,年代= 7μ米,l= 55μm,= 5μm。

3所示。模拟设备的性能

仿真设备的使用频域解算器设置为单位细胞绑定的x- - -y方向,z方向,事件表面的边界条件设置为开放addspace,虽然检测表面的边界条件设置为开放,以避免法布里-珀罗振荡的发生。在仿真中,我们模拟的电励磁装置通过改变签证官的电子导电率₂。

首先,我们数值模拟研究了签证官的插入的效果₂电影的绝缘状态(电子导电率为0.5Ω⁻¹厘米⁻¹在这个设备的透射谱。仿真结果如图所示2和显示插入的签证官₂电影几乎没有对透射谱的影响范围在0.3 - -1.6太赫兹对TE和TM模式。

然后,我们改变了签证官的电子导电率₂模拟其透射谱的动态变化时,设备是电兴奋。图3(一个)当签证官说明透射谱的演变₂从绝缘状态改为金属状态的电子导电率30000Ω⁻¹厘米⁻¹。可以看出在TE模式下,传输在中央0.95太赫兹的频率逐渐签证官的电子电导率的增加而增加₂。签证官的电子导电率₂30000Ω⁻¹厘米⁻¹0.95太赫兹传输,从1%上升到大约81%。这意味着在这个频率,设备逐渐变化的带阻滤波器的带通滤波器。与此同时,材料的行为左边的频带(如0.5太赫兹)和右(如1.4太赫兹)的带通和带阻滤波器中心频率改变,和传输从80%减少到8%。因此,在电场作用下,从带通滤波器实现转变带阻滤波器的频率范围0.3 - -1.6太赫兹由于签证官的过渡阶段₂层。此外,带通和带阻滤波器的中心频率是几乎一样的。

图3 (b)描述了签证官的电子导电率的影响₂透射谱的TM模式下设备。这是观察到当签证官₂在绝缘状态,传输设备的高于50% 0.3 - -0.8太赫兹的范围。当签证官₂逐渐改为金属状态,其传输减少在宽的频率范围内,最终低于5%。因此,由于缺乏单元结构的对称性,提出设备表现出完全不同的特性在TE和TM模式。

4所示。物理机制的带通带阻转换装置

探讨物理机制的转换从一个带通滤波器带阻滤波器在TE模式下,表面电流的设备之前和之后的签证官₂相变模拟。当签证官₂在绝缘状态,设备表现出带阻特性及其表面电流如图4。太赫兹波的频率0.6太赫兹和1.4太赫兹,表面电流的设备主要是集中在riveting-type振荡器和大约2300 / m。太赫兹波0.95太赫兹的频率,电流达到4800 / m,证明这个设备在0.95太赫兹的带阻行为造成的强烈的表面电流铆接振荡器,左派和右派的传输频带高振荡电流很小,因为它影响透光率较低,引起的带通特性。

当签证官₂在金属状态,设备显示带通行为及其表面电流如图5。显然,一个强大的观察表面电流只有当签证官₂在金属状态。在图5,签证官₂在金属层状态标记为黄色。如图5(一个)顶部铆接振荡器和签证官₂层下面振荡器产生表面电流的入射太赫兹波频率0.6太赫兹。与此同时,强电流的方向振动的签证官₂是相反的金属结构。因此,这两个强大的电流的振荡效应相互抵消。它可以得出结论:低频区域的带阻特性主要是弱电,震荡造成的签证官₂表面。图5 (b)显示了该金属层表面电流和签证官₂层与入射太赫兹波1.4太赫兹的频率。在这种情况下,当前主要是集中在双方的签证官₂层偶极振荡及其偶极矩很小,导致光谱的带阻特性在高频区域。图5 (c)显示了该金属层表面电流和签证官₂层入射太赫兹波0.95太赫兹的频率。可以看出强烈振荡电流这两层传播方向相反,相互抵消。在这种情况下,签证官的表面电流₂非常薄弱。因此,设备显示在0.95太赫兹带通特性。

5。结论

一个签证官₂的太赫兹滤波器提出了工作,和数值模拟表明,该装置可以实现从带阻带通滤波器在TE模式转换。当签证官₂处于绝缘状态(电子导电率= 0.5Ω吗⁻¹厘米⁻¹),设备表现出的特征带阻滤波器与中央0.95太赫兹的频率。当签证官₂金属的状态转换(电子导电率= 30000Ω⁻¹厘米⁻¹),设备的传输在中央频率从1%上升到80%,而在其他频段降低其传播和设备从带阻带通滤波器。在TM模式下,提出设备显示宽带太赫兹振幅调制器的特点。由于签证官的相变₂,50%和5%之间的光谱传输变化在0.3 - -0.8太赫兹的频率范围。由于其结构简单、容易制造、功能可调谐性,低成本,提出了滤波器是非常有前途的未来太赫兹系统使用。

数据可用性

模拟和数字数据用于支持本研究的结果都包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持,在批准号61808016。

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