专利摘要

本发明公开了一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法。在半导体平板表面上方设置两个相互平行的金属刀片：第一刀片和第二刀片，两个金属刀片的刃口均垂直指向半导体平板表面，且两个金属刀片刃口与半导体板表面的距离相等；从第一刀片的外侧向该刀片的刃口与半导体平板的间隙处发射频率小于半导体等离子体频率的电磁波，在半导体平板表面激发表面等离子体波，该表面等离子体波由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输；在恒定温度下，通过调整两个金属刀片间的距离，使得从第二刀片刃口处耦合出的电磁波的强度发生变化。本发明方法能量消耗小，调谐频带宽，硬件成本低，操作简单、灵活，可实现归零和非归零调制功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁波调制方法，尤其涉及一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法。

背景技术

表面等离子体波是由外部电磁波诱导金属或半导体表面电荷的集体振荡，具有表面电磁场的传播性能。由于其能量局限于两种材料的界面处，表面等离子体波在显示、存储、传感、检测等诸多方向有着潜在的应用。在以往的研究中，大多关注表面等离子体波在金属表面的行为，对于其在半导体表面的传输行为研究较少。选用半导体材料的一大突出优点是其自由载流子可以通过掺杂或是温度调节加以改变，从而改变半导体的介电常数，进而影响表面等离子体波在半导体表面的传输性质，这为制作基于表面等离子体波的电磁波调制器奠定基础。国际上诸多课题组已进行了相关研究，J. Gómez Rivas课题组提出了基于光栅的温度控制开关，该温度开关的主要结构为一个半导体光栅，通过改变半导体光栅的温度，从而调节半导体内的自由载流子浓度，进而改变半导体的介电常数，影响光栅的反射波长，最终控制流过光栅的表面等离子体波的透射量（J. Gómez Rivas et al, Low-frequency active surface plasmon optics on semiconductors, APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 082106, 2006）。 

然而J. Gómez Rivas课题组开发的基于表面等离子体波的温度控制开关需要使用光栅，因此该温度控制开关在性能上尚不完美。首先，光栅本身会散射表面等离子体波的能量，从而使得信号能量受到损失。其次，由于光栅的反射是针对特定的频率，所以该表面等离子体波温度控制开关只能对较窄波段的特定频率实现开关控制，不能对宽频段的表面等离子体波进行调控。换句话说，如果表面等离子体波里面存在相隔较远的诸多波长信号，现有的装置就无法同时对几个波长的信号进行开关调制。

另外，最近杨涛课题组提出基于半导体等离子体频率调制表面等离子体波的方法。当电磁波的频率小于半导体等离子体频率时，表面等离子体波能在半导体上传输；当电磁波的频率大于半导体等离子体频率时，表面等离子体波则不能在半导体上传输。该方法利用温度来控制半导体的自由载流子浓度，从而改变半导体等离子体频率。虽然与J. Gómez Rivas的技术相比调制频带相对较宽，但是该方法需要较大的温度变化幅度实现半导体等离子体频率与电磁波频率大小的相对变化。由于温度变化幅度有限，半导体等离子体频率的变化幅度也有限，所以表面等离子体波的调制频带范围有限，影响该技术的普遍应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，该方法能量消耗小，调谐频带宽，硬件成本较低，调制过程操作简单、灵活，可实现归零调制（开关调制）和非归零调制功能。

本发明具体采用以下技术方案：

基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法，在半导体平板表面上方设置两个相互平行的金属刀片：第一刀片和第二刀片，两个金属刀片的刃口均垂直指向半导体平板表面，且两个金属刀片刃口与半导体平板表面的距离相等；从第一刀片的外侧向该刀片的刃口与半导体平板的间隙处发射频率小于半导体等离子体频率的电磁波，在半导体平板表面激发表面等离子体波，该表面等离子体波由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输；在恒定温度下，通过调整两个金属刀片间的距离，使得从第二刀片刃口处耦合出的电磁波的强度发生变化，从而实现电磁波的调制。

采用上述技术方案可以实现宽频电磁波的归零调制，也可以实现宽频电磁波的非归零调制；归零调制和非归零调制的技术方案分别如下：

归零调制：所述电磁波为宽频电磁波，所述调整两个金属刀片间的距离，是指使两个金属刀片间的距离在第一距离和第二距离之间转换，所述第一距离小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离，第二距离大于宽频电磁波所激发的最低频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。

非归零调制：所述电磁波为宽频电磁波，调整两个金属刀片间的距离时，使两个金属刀片间的距离始终小于宽频电磁波所激发的最高频率的表面等离子体波在半导体平板表面的传输距离。

本发明技术方案中，第一刀片和第二刀片的距离可以通过两个刀片同时相互移动调整，也可以固定其中一个，而只移动另外一个。本发明优选固定第一刀片的位置，通过移动第二刀片的位置来调整两个金属刀片间的距离。

优选地，所述两个金属刀片刃口与半导体平板表面的距离小于最低频率的表面等离子体波在空气中的衰减距离，所述半导体平板的厚度大于最高频率的表面等离子体波在该半导体平板内的衰减距离，所述半导体平板在常温下的等离子体频率与入射电磁波的频率接近。

相比现有技术，本发明本发明具有以下优点：

1、  调制成本低：相对于J. Gómez Rivas课题组提出了温度控制开关，本发明方法不需

要在半导体晶片表面制作光栅，整个调制过程中的成本较低；

2、  信号损耗小：相对于J. Gómez Rivas课题组提出的温度控制开关，本发明方法没有光栅等结构散射能量，因此表面等离子体波的能量损耗较小，信噪比得到提高；

3、  调制范围宽：本发明方法可以对较宽的电磁波波段进行开关调制，提高器件的性能和应用范围。

4、硬件结构简单：本发明通过改变刀片位置实现信号开关或调制，其硬件结构更加简单，调制更加便捷。

附图说明

图1为本发明的电磁波调制装置的结构示意图，图中标号含义如下：

1为电磁波，2为半导体平板，31、32为两个平行的金属刀片，4为表面等离子体波。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是首先在半导体平板表面设置一对平行刀片：第一和第二刀片，并通过向第一刀片刃口发射电磁波，在半导体平板表面激发由第一刀片的刃口下方沿着半导体平板表面向第二刀片的刃口下方传输的表面等离子体波，由于表面等离子体波的强度随传输距离增大而衰减，因此可通过调整两个刀片的距离，使得第二刀片刃口处耦合出的电磁波强度根据需要变化，从而实现电磁波调制。

本发明所使用的调制装置如图1所示，包括半导体平板2，平行设置于半导体平板2上方的两个刀片31、32。向其中一个刀片31的刃口与半导体平板2的间隙处发射频率小于该半导体等离子体频率的电磁波1，在两个刀片的刃口之间的半导体平板2表面激发出向刀片32刃口下方传播的表面等离子体波4，并在刀片32刃口处耦合为电磁波1，可以通过设置在刀片32刃口外侧的探测器检测。通过调整两个刀片的位置，使得：两个刀片3的刃口与半导体平板2表面的距离小于最高频率的表面等离子体波在空气中的衰减距离。同时所选取的半导体平板2的厚度大于最低频率的表面等离子体波在该半导体平板2内的衰减距离。此时，保持入射电磁波不变，调整刀片31和32之间的距离，当距离较小时，刀片32刃口处的表面等离子体波信号强度较强，耦合出的电磁波的强度也较大；当刀片31和32之间的距离逐渐增大时，刀片32刃口处的表面等离子体波4信号强度随距离增大而衰减，耦合出的电磁波的强度也随之变小；随着刀片31和32之间的距离超过表面等离子体波4在半导体平板2表面的传输距离，表面等离子体波4的强度在半导体平板2表面随着传输距离的增加而逐渐耗尽，最终刀片32的刃口处无法耦合出电磁波信号。这样，通过调整刀片31和32之间的距离，即可实现电磁波调制。

为了便于公众理解本发明的技术方案，下面分别以归零调制和非归零调制为例来进一步说明。

归零调制：

如图1所示，将锑化铟本征半导体（其在常温下的等离子体频率在1.9-2.0THz范围内）晶片2水平放置，在锑化铟半导体晶片2上方平行放置两个金属刀片31、32，两个刀片垂直于锑化铟半导体晶片2的上表面而且刃口向下。在温度为30℃时，将宽频电磁波1 (如频率范围在0.2-0.4THz)射向刀片31的刃口，使得在锑化铟半导体晶片2表面激发表面等离子体波4，该表面等离子体波4沿着锑化铟半导体晶片2表面传输并向刀片32的刃口处传播。调节两个刀片的位置使得两个刀片的刃口与锑化铟半导体晶片2上表面之间的距离小于0.4THz的表面等离子体波4在空气中的衰减距离；同时，所选取的锑化铟半导体晶片2的厚度大于0.2THz的表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片2内的衰减距离。

某一频率的表面等离子体波的传输距离以及在外部气体和锑化铟半导体晶片中的衰减距离可根据表面等离子体的色散方程求得，表面等离子体的色散方程是：

以上公式中k_x是沿着锑化铟半导体晶片表面传播方向（+x方向）的表面等离子体波的波矢量大小。k_z1和k_z2分别垂直于锑化铟半导体晶片表面的向上方向（+z方向）和向下方向（-z方向）的波矢量大小。c是真空中的光速。ω是该电磁波所对应的角频率。 是外部气体或真空的复介电常数（ε₁是外部气体复介电常数的实部，ε₁′是外部气体复介电常数的虚部）。 是锑化铟半导体晶片的复介电常数(ε₂是锑化铟半导体晶片复介电常数的实部，ε₂′是锑化铟半导体晶片复介电常数的虚部)。A、C 和 E

分别是该频率表面等离子体波沿＋x方向、＋z方向、－z方向的相位系数，B、D和F 分别是该频率表面等离子体波沿＋x方向、＋z方向、－z方向的衰减系数。

表面等离子体波在锑化铟半导体晶片表面的传播距离用δ_spp表示，可用表面等离子体波沿传播方向的衰减系数B计算求得：

表面等离子体波在空气和锑化铟半导体晶片中的衰减距离分别用δ_d和δ_m表示。可用表面等离子体波沿垂直于锑化铟半导体晶片表面方向在空气和锑化铟半导体晶片中的衰减系数D和F计算求得： 

通过上述公式可以看出，表面等离子体波在锑化铟半导体晶片上的特征长度与半导体的介电常数有着重要的联系。半导体的复介电常数可以由如下的Drude模型表达： 

上述公式中， 是半导体的复介电常数，ε₂是半导体复介电常数的实部，ε₂′是半导体复介电常数的虚部， 是半导体的静态介电常数，ω是所传输的电磁波角频率。

上述公式中，ω_p= [ne²/(ε₀ε_staticm^?)]^1/2是半导体的等离子体角频率，其中n是半导体的载流子浓度，e是电子电量，ε₀是真空介电常数，m^?是载流子有效质量。

上述公式中， 是动量驰豫时间，其中μ是载流子迁移率，动量驰豫时间可以由半导体的载流子迁移率计算得出。

如果两个刀片之间的距离设置为30mm，而此时表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片表面上的传输距离最小值为频率为0.4THz的表面等离子体波的传输距离δ_spp =31.1mm。所以表面等离子体波4能够传输到刀片32的刃口下方，耦合出的电磁波信号可以被刀片32外侧的探测器所接收。

保持温度为30℃，将刀片31固定，通过移动刀片32，将两个刀片的间距调整至大于表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片表面上的传输距离的最大值，即频率为0.2THz的表面等离子体波在锑化铟半导体晶片表面的传输距离δ_spp=67.0mm，为了使表面等离子体波的信号完全耗尽可将两刀片距离调整至140mm，此时表面等离子体波不能由刀片32的刃口耦合为电磁波，探测器所探测到的电磁波强度为零，电磁波信号处于阻断的状态。从而通过改变两个刀片间的距离实现对电磁波的开关调制。

非归零调制：

    与归零调制类似，将锑化铟半导体晶片2水平放置，在锑化铟半导体晶片2上方平行放置两个金属刀片31、32，两个刀片垂直于锑化铟半导体晶片2的上表面而且刃口向下。在温度为30℃时，将宽频电磁波1 (如频率范围在0.2-0.4THz)射向刀片31的刃口，使得在锑化铟半导体晶片2表面激发表面等离子体波4，该表面等离子体波4沿着锑化铟半导体晶片2表面传输并向刀片32的刃口处传播。调节两个刀片的位置，使得：两个刀片的刃口与锑化铟半导体晶片2上表面之间的距离小于0.4THz的表面等离子体波4在空气中的衰减距离；同时，所选取的锑化铟半导体晶片2的厚度大于0.2THz的表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片2内的衰减距离。

  保持温度为30℃，将刀片31固定，通过移动刀片32，使得两刀片距离始终小于表面等离子体波4在锑化铟半导体晶片表面上的传输距离的最小值，即频率为0.4THz的表面等离子体波的传输距离δ_spp=31.1mm。例如，将两个刀片间的距离在20mm与30mm之间调整，在此过程中，表面等离子体波4始终能够到达刀片32的刃口下方，但到达刀片32刃口下方的表面等离子体波的强度会随刀片间距离的增大而减小，探测器所接收的电磁波强度也随着两个刀片间距离的变化而变化，从而通过改变两个刀片间的距离实现对电磁波的非归零调制。

  以上是以锑化铟半导体为例来说明本发明的技术方案，利用其它半导体材料和其他频率的电磁波在其他工作温度下也可同样实现电磁波的调制。 

从以上描述可以看出，相比现有技术，本发明方法具有能量消耗小，调谐频带宽，硬件成本低，操作简单、灵活等优点，可很容易地实现归零和非归零调制功能。

基于表面等离子体波传输距离的电磁波调制方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。