一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及太赫兹分波技术领域，具体涉及一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器及其制作方法。
背景技术
超材料是利用微纳加工工艺制成的亚波长尺寸周期结构，超材料的物理性质取决于单元结构，尤其是单元结构上的金属图案，通过设计单元结构来实现对电磁波的调控。
目前，在太赫兹频段内，复用及解复用器件的研究还很少，并且主要集中在基于光子晶体的太赫兹分波器的研究，太赫兹分波器的隔离度有待提高并且插入损耗有待减小。对于0.120THz和0.300THz两个通信窗口，现有技术中分波器通常采用光子晶体进行分波，但是光子晶体加工困难、价格昂贵，不利于大批量的生产和应用，所以急需一种便于加工、性能更好的太赫兹分波器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：对于不同频率的两个通信窗口，现有技术中分波器通常采用光子晶体进行分波，但是光子晶体加工困难、价格昂贵，不利于大批量的生产和应用。
本发明提供一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器及其制作方法，使用超材料单元结构周期排列来替换光子晶体来进行两个通信窗口的分波，该太赫兹分波器便于加工、性能更好。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器，包括图案层和介质层，图案层由N×N个双开口方环结构单元周期性排列组成，图案层紧贴于介质层表面；
所述双开口方环结构单元由一个双开口方环和一个金属线组成，所述金属线位于双开口方环的开口位置。
进一步优化方案为，所述金属线为长方体，金属线的长比双开口方环的边长更长。
进一步优化方案为，双开口方环沿水平方向左右两侧均设置相同宽度的开口。
进一步优化方案为，所述金属线水平放置在双开口方环的开口位置，金属线左侧超出双开口方环部分的长度与金属线右侧超出双开口方环部分的长度相等。
进一步优化方案为，所述介质层的材料为石英晶体、聚酰亚胺、硅的一种，介质层厚度为25μm～100μm。
进一步优化方案为，双开口方环环宽为：15μm～20μm，外侧边长为200μm～300μm；
金属线长度为：200μm～300μm，宽为：1μm～10μm，厚度为：0.1μm～0.3μm。
进一步优化方案为，图案层材料为金、银、铜中的一种，图案层厚度为0.1μm～0.3μm。
进一步优化方案为，双开口方环结构单元周期性排列的周期为280μm～300μm。
基于上述技术方案本发明还提供一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器制作方法，包括以下步骤：
T1.清洗光刻板和介质层；
T2.将烘干后的介质层表面涂覆HMDS后进行涂胶和前烘；
T3.紫外曝光检查匀胶石英片与掩模板曝光区对齐后，开始曝光。
T4.将预制的掩膜版上的图案层图形转移到介质层的光刻胶上，再使用3038正胶显影液，显影时间控制在45秒得到样本；
T5.先去除样本上的光胶并沉积金属薄膜；
T6.最后对样本进行裂片处理。
进一步优化方案为，为了保护样本上沉积的金属薄膜，裂片之前在有金属的一面涂上光刻胶，再将样本贴在蓝膜上，按照滤波图形的尺寸要求进行切割。
本技术方案原理：当太赫兹波入射到金属表面时会发生谐振，此时太赫兹波的透射率会骤减，太赫兹波在损耗吸收较小的介质表面则会发生反射；而当超材料的等效阻抗与自由空间的阻抗相等时，太赫兹波的反射率会骤减。分别将上述两种现象用于两种不同的频率处，则可使得两种频率的太赫兹波在空间上分离。当两种特定频率的太赫兹波同时斜入射到超材料分波器表面时，一种频率的太赫兹波透射，而另一种频率的太赫兹波反射，在空间上以不同的路径将两种频率的太赫兹波分开，从而可以实现将0.120THz和0.300THz两个通信窗口的太赫兹波分离。
当f1和f2两种频率的太赫兹波在xoz面内同时入射到超材料表面时，f1透射，接收透射波f1的端口为port 1；f2反射，接收反射波f2的端口为port 2，为了使两个端口的隔离度更大，则f1的反射波与f2的透射波要尽可能小。透射曲线与方形开口环和金属线之间的耦合有关。通过调节单元结构尺寸会影响结构之间的耦合情况，进而影响到反射与透射曲线。于是可以将设计的超材料的谐振点移动到所需要的频点，从而达到应用的需求。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的太赫兹分波器，由简单的图案层和介质层构成，图案层由N×N个双开口方环结构单元周期性排列组成，具有体积小、结构简单易加工、易集成的特点；
2、本发明采用单层超材料结构作为分波器的物理结构，超材料相较于光子晶体更易加工，更适合大规模推广应用，并且在工作频点的隔离度与插入损耗的性能更优；超材料设计灵活方便，根据实际应用要求，通过设计超材料单元结构，可将分波器的工作频率设计到所需的频率点。
3、对于0.120THz与0.300THz两个通信窗口的分波，使用本发明提供的太赫兹分波器分离效果较好，隔离度大，损耗较小。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
在附图中：
图1为本发明太赫兹分波器结构示意图；
图2为本发明太赫兹分波器双开口方环结构单元俯视图；
图3为双开口方环结构单元结构示意图；
图4为两种频率的太赫兹波同时入射至太赫兹分波器的分波原理图；
图5为实施例超材料太赫兹分波器的S参数曲线图；
图6为端口Port 1的群延迟仿真结果；
图7为端口Port 2的群延迟仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器，包括图案层1和介质层2，图案层1由N×N个双开口方环结构单元3周期性排列组成，图案层1紧贴于介质层2表面；
所述双开口方环结构单元3由一个双开口方环31和一个金属线32组成，所述金属线32位于双开口方环31的开口位置。
所述金属线32为长方体，金属线32的长比双开口方环31的边长更长。
双开口方环31沿水平方向左右两侧均设置相同宽度的开口。
所述金属线32水平放置在双开口方环31的开口位置，金属线32左侧超出双开口方环31部分的长度与金属线32右侧超出双开口方环31部分的长度相等。
所述介质层2的材料为石英晶体、聚酰亚胺、硅的的一种，介质层2厚度为25μm～100μm。
双开口方环31环宽为：15μm～20μm，外侧边长为200μm～300μm；
金属线32长度为：200μm～300μm，宽为：1μm～10μm，厚度为：0.1μm～0.3μm。
图案层1材料为金、银、铜中的一种，图案层1厚度为0.1μm～0.3μm。
双开口方环结构单元3周期性排列的周期为280μm～300μm。
一种应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器制作方法，包括以下步骤：
T1.清洗光刻板和介质层；
T2.将烘干后的介质层表面涂覆HMDS后进行涂胶和前烘；
T3.紫外曝光检查匀胶石英片与掩模板曝光区对齐后，开始曝光。
T4.将预制的掩膜版上的图案层图形转移到介质层的光刻胶上，再使用3038正胶显影液，显影时间控制在45秒得到样本；
T5.先去除样本上的光胶并沉积金属薄膜；
T6.最后对样本进行裂片处理。
为了保护样本上沉积的金属薄膜，裂片之前在有金属的一面涂上光刻胶，再将样本贴在蓝膜上，按照滤波图形的尺寸要求进行切割。
实施例2
本实施例提供的的太赫兹分波器单元结构如图1所示，图案层1和介质层2，图案层1由N×N(N＝3)个双开口方环结构单元3周期性排列组成，图案层1紧贴于介质层2表面，当两种特定频率的太赫兹波斜入射到超材料分波器表面时，一种频率的太赫兹波透射，而另一种频率的太赫兹波反射，在空间上以不同的路径将两种频率的太赫兹波分开。实现了将0.120THz和0.300THz两个通信窗口的太赫兹波分离。
如图2和图3所示，介质层2材料为聚酰亚胺，厚度为25.0μm。
图案层1材料为金，厚度为0.2μm；双开口方环的长l＝260μm，宽w1＝18μm，线宽w2＝20μm；金属线的长＝290μm，宽w3＝1μm。
双开口方环结构单元3周期性排列周期P＝290μm。
如图4所示，当f1和f2两种频率的太赫兹波在xoz面内同时入射到超材料表面时，f1透射，接收透射波f1的端口为port 1；f2反射，接收反射波f2的端口为port 2，为了使两个端口的隔离度更大，则f1的反射波与f2的透射波要尽可能小。
从图5超材料太赫兹分波器的S参数曲线图可知在f1(0.114～0.126THz)范围内，太赫兹分波器的隔离度均大于20dB，在0.12THz处的隔离度最大为28dB，插入损耗为0.40dB；在f2(0.279～0.327THz)范围内，太赫兹分波器的隔离度均大于20dB，在0.30THz处的隔离度最大为41dB，插入损耗为0.07dB。因此太赫兹分波器对于上述两个频段范围内的隔离效果都较好，并且插入损耗较小，利于通信信号的有效传输。
图6为Port 1的群延迟仿真结果。在Port 1处，群延迟平均值为4.59ps，群延迟最大差值为0.02ps；图7为Port 2群延迟仿真结果。在Port 2处，群延迟随着频率的增高而缓慢递减，平均值为2.81ps，群延迟差值的最大值为0.11ps。而从上述两个端口的群延迟数据可以看出，在f1与f2的工作频率范围内，太赫兹分波器的群延迟差值小，较为稳定。
应用于6G波分复用系统的太赫兹分波器制作方法，整个过程包括光学掩模的设计与制作、清洗掩模版、光刻微纳结构、紫外曝光、显影、定影、沉积金属薄膜，最后剥离法制备图形化微结构。具体步骤如下:
1.清洗光刻板。先将光刻掩模板浸入丙酮中超声1小时，再将其放入无水乙醇中浸泡5分钟，随后再用去离子水冲洗干净，最后用氮气吹干。
2.清洗硅片：
(1)使用去离子水冲洗硅片40秒，去除硅片上可能的大颗粒杂质；
(2)使用超声波对硅片进行40秒的超声处理；
(3)将硅片放置于丙酮中超声5分钟；
(4)将硅片放置于异丙酮中超声5分钟；
(5)用去离子水冲洗干净。
3.将石英片介质层烘干，在其表面涂覆HMDS以增加光刻胶粘附性，然后冷却。
4.涂胶和前烘：选用双层光刻胶，以增加后期沉积金属薄膜的陡直性，光刻胶型号：AZ5214和LOR10A。
5.紫外曝光。检查匀胶石英片介质层与掩模板曝光区对齐后，开始曝光。
6.显影。使用3038正胶显影液，显影时间控制在45秒。如果显影时间太短，则无法将AZ5214光刻胶完全去除；如果显影时间太长，LOR10A光刻胶就会被溶解，破坏金属结构。
7.去胶：利用等离子去胶机M4L，将石英片介质层基片上残留的光刻胶去除。
8.沉积金属薄膜。
9.剥离(Lift-off)
(1)去除AZ5214光刻胶。先将镀金石英片介质层放入丙酮溶液中浸泡约24小时，由于AZ5214光刻胶能完全溶于丙酮，而LOR10A光刻胶不能溶于丙酮，通过浸泡，石英片介质层上大部分的光刻胶以及上面沉积的金属薄膜会自动脱落，此时利用针管局部吹吸使残留金属脱落；
(2)去除LOR10A光刻胶。上一步将AZ5214光刻胶完全去除后，再将石英片介质层放入3038显影液中浸泡15分钟，使得LOR10A光刻胶完全脱离；
(3)用去离子水冲洗，氮气吹干。
10.裂片
(1)实验使用Disco划片机DAD340，为了保护石英片介质层上沉积的金属薄膜，切片之前在有金属的一面涂上AZ5214光刻胶，再将基片贴在蓝膜上，按照四个不同尺寸的滤波图形进行切割；
(2)切割后先放入丙酮浸泡去胶，后放入异丙酮浸泡；
(3)最后去离子水冲洗，氮气吹干即可。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
