基于氧化钒的中红外贴片天线调谐特性研究

发布时间：2018-03-26 19:36

  本文选题：二氧化钒　切入点：中红外　出处：《电子科技大学》2017年硕士论文

【摘要】：可调谐光学天线对于中红外波的振幅和相位具有动态调控功能,对于发展可重构新型光电器件具有重要意义,在中红外调制、探测等领域具有广阔应用前景。本论文将氧化钒相变材料引入到光学贴片天线,研制了可调谐中红外天线器件,取得了在中心频率处达到10%的共振模式频率范围和高达47.3%的吸收调制幅度,为实现中红外波的调控提供了一种新方法。论文取得的创新研究成果包括:利用有限元仿真软件对天线结构进行仿真计算,设计出具有金圆盘贴片天线阵列-二氧化钒相变介质层-二氧化硅缓冲层-铜衬底的层状贴片天线结构、以二氧化钒为调谐功能材料的中红外温控调谐光学天线,进而运用微纳加工技术手段制备出该天线结构样品。在傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试中,实验观察到该天线器件在TM入射光以15°角入射情况下,20THz~50THz频段内具有23.6THz、33.5THz以及47.3THz三个主要的天线共振峰。通过将实验结果与仿真模型进行对照,本文发现23.6THz和47.3THz处的吸收峰分别是贴片天线的TM11模式和TM12模式,而位于33.5THz处的吸收峰在本质上是相邻贴片金圆盘之间的缝隙模式。在温度变化过程中,该光学天线样品在中红外频段实现了295K~365K温度范围内的连续调谐功能,并观察到天线吸收峰在温度升高时向长波方向移动,温度降低则吸收峰蓝移。其中TM12吸收峰的调谐范围最大可达4THz,吸收率最高达到81.6%,具备较宽的调谐范围和良好的吸收率。在进一步升-降温调谐测试中,实验观察到了天线吸收峰频率在340K温度附近的滞回线效应,这一特性证明了天线的调谐性质是来自二氧化钒相变过程。另外,经过对天线样品的SEM、XRD及XPS等材料性能测试,发现了天线内部二氧化钒不纯的证据以及天线表面贴片的不规则,从材料与器件尺寸的角度上解释了天线样品吸收曲线测试结果与仿真模型之间所存在的差异,同时为后续的设计与优化指明了方向。本文研制的可调谐中红外天线器件拓展了氧化钒相变材料在红外光学波段的器件应用,为中红外波的动态调控提出了创新性解决方案。
[Abstract]:The tunable optical antenna has the dynamic control function for the amplitude and phase of the mid-infrared wave and is of great significance for the development of new reconfigurable optoelectronic devices. In this paper, the phase change material of vanadium oxide is introduced into the optical patch antenna, and the tunable mid-infrared antenna device is developed. The resonant mode frequency range of 10% and absorption modulation amplitude up to 47.3% are obtained at the center frequency. This paper provides a new method for the control of mid-infrared wave. The innovative research achievements in this paper include: using finite element simulation software to simulate the antenna structure, A layered patch antenna structure with gold disk patch antenna array, vanadium oxide phase change dielectric layer, silicon dioxide buffer layer and copper substrate is designed. Using vanadium oxide as tuning functional material, a mid-infrared tunable optical antenna is designed. Then the antenna structure sample was prepared by using micro-nano processing technology. In the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) test, It is experimentally observed that the antenna device has three main antenna resonance peaks in the frequency band of 23.6 THz and 33.5 THz and 47.3THz in the case of TM incident light at an angle of 15 掳. The experimental results are compared with the simulation model. In this paper, we find that the absorption peaks at 23.6THz and 47.3THz are TM11 mode and TM12 mode of patch antenna, respectively, while the absorption peak at 33.5THz is essentially a gap mode between adjacent gold plates. The optical antenna sample is tuned continuously in the 295K~365K temperature range in the mid-infrared band. It is observed that the absorption peak of the antenna moves to the direction of long wave as the temperature rises. The maximum tuning range of TM12 absorption peak is up to 4THz, and the maximum absorptivity is 81.6, which has a wide tuning range and good absorptivity. The hysteretic loop effect of antenna absorption peak frequency near 340 K temperature is observed experimentally, which proves that the tuning property of antenna is derived from vanadium oxide phase transition process. The evidence of vanadium oxide impure inside the antenna and the irregularity of antenna surface patch are found. The difference between the measurement results of antenna sample absorption curve and the simulation model is explained from the point of view of material and device size. The tunable mid-infrared antenna device developed in this paper extends the application of vanadium oxide phase change material in infrared optical band and provides an innovative solution for the dynamic control of mid-infrared wave.
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN820

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