CN102928919A

CN102928919A - 跑道形结构的太赫兹波偏振分束器

Info

Publication number: CN102928919A
Application number: CN2012104499113A
Authority: CN
Inventors: 李九生
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: CN102928919B

Abstract

本发明公开了一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器。它包括太赫兹波输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、基体、左侧n形波导、中间耦合区域、右侧螺旋形波导；基体上设有左侧n形波导、中间耦合区域、右侧螺旋形波导，左侧n形波导为上下对称结构，中间耦合区域由上下左右对称的四个跑道形结构组成，太赫兹波从太赫兹波输入端输入，TM波直接经左侧n形波导从第一信号输出端输出，通过中间耦合区域的耦合作用，TE波从第二信号输出端输出，获得偏振分束的功能。本发明具有结构简单紧凑、尺寸小、分束率高、便于制作、易于集成等优点。满足在医学检测、无损探测、太赫兹波成像等领域的需求。

Description

跑道形结构的太赫兹波偏振分束器

技术领域

本发明涉及分束器，尤其涉及一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来，太赫兹波技术便是其中之一。太赫兹(Terahertz，THz)通常是指频率在0.1THz~10THz的电磁波。它的长波段与毫米波 (亚毫米波)相重合，其发展主要依靠电子学技术；而它的短波段与红外线相重合，其发展主要依靠光子学技术，可见太赫兹波是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，在电磁波频谱中占有很特殊的位置。它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值，使得THz受到全世界各国政府的支持，并给予极大的关注。由于太赫兹波的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给环境探测、生物医学、通信等领域带来深远的影响。例如，THz技术能够对固体、气体、液体及火焰等介质的电学、声学性质及化学成分进行研究。科研人员可利用THz穿透烟雾来检测出大气中的有毒或有害分子，因此可用于环境的污染检测。生物体对THz波具有独特的响应，而且很多生物大分子如DNA分子的旋转及振动能级多处于THz波段，所以THz在蛋白质等生物大分子无标志识别应用中有着举足轻重的作用。由于THz具有类似X射线的穿透能力，且其光子能量小，不会引起生物组织的光离化，所以在生物医学成像方面非常安全，适合于生物医学成像。除了生物医学、环境监测等领域，太赫兹技术在高带宽无线通信系统方面也有其广阔的应用前景。

太赫兹波技术的应用离不开太赫兹波功能器件的保障。但现有的太赫兹波功能器件往往结构复杂、体积较大、不易于集成并且价格昂贵，因此小型化、低成本的太赫兹器件成为太赫兹波应用的关键。太赫兹波偏振分束器是一种非常重要的太赫兹波功能器件，应用在太赫兹波系统中，实现对太赫兹波的偏振分束控制。目前国内外很多科研机构都致力于这方面的研究，但相关的研究报道很少，因此有必要设计一种结构简单紧凑、易于集成、分束效率高的太赫兹偏振分束器来满足未来太赫兹波技术应用的需要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术分束率较低，结构复杂，实际制作过程困难，难以集成的不足，提供一种结构简单、高分束率的跑道形结构的太赫兹波偏振分束器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

跑道形结构的太赫兹波偏振分束器包括太赫兹波输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、基体、左侧n形波导、中间耦合区域、右侧螺旋形波导；基体上设有左侧n形波导、中间耦合区域、右侧螺旋形波导，左侧n形波导为上下对称结构，左侧n形波导包括顺次连接L形波导、半圆环波导和倒L形波导，L形波导由上侧纵向波导、上侧四分之一圆弧波导、上侧横向波导依次连接而成，倒L形波导由下侧纵向波导、下侧四分之一圆弧波导、下侧横向波导依次连接而成，中间耦合区域由上下左右对称的四个跑道形结构组成，其中两个跑道形结构纵向排列在中间耦合区域的中间位置，余下的两个跑道形结构分别横向排列在中间位置的上、下两侧，跑道形结构由外侧的跑道形波导和内侧的跑道形柱体组成，右侧螺旋形波导由从右到左顺次排列的第二纵向波导、第二四分之一圆弧波导、第二横向波导、第二半圆环波导、四分之三圆弧波导连接而成，第二半圆环波导和四分之三圆弧波导组成一个向内螺旋的结构；太赫兹波从太赫兹波输入端输入，TM波直接经左侧n形波导从第一信号输出端输出，通过中间耦合区域的耦合作用，TE波从第二信号输出端输出，获得偏振分束的功能。

所述的基体的材料为二氧化硅，长度为2900μm~3000μm，宽度为1880μm~2000μm，厚度为300μm~400μm。所述的波导的材料为硅，宽度均为50μm~80μm，厚度均为30μm~40μm。所述的左侧n形波导的上侧纵向波导长度为400μm~500μm，上侧四分之一圆弧波导的外圆半径r1为100μm~120μm，上侧横向波导长度为300μm~400μm，半圆环波导的外圆半径r2为400μm~450μm。所述的中间耦合区域与左侧n形波导和右侧螺旋形波导之间的距离均为20μm~30μm；中间耦合区域中两个纵向排列的跑道形结构间隔距离为10μm~20μm，上、下两侧横向排列的跑道形结构与两个纵向排列的跑道形结构之间的距离均为20μm~30μm。所述的跑道形波导的外圆半径为200μm~250μm，跑道形波导的横向直线形波导长为300μm~400μm；所述的跑道形柱体长度为560μm~580μm，宽度为140μm~160μm。所述的右侧螺旋形波导的第二纵向波导的长度为1040μm~1100μm，第二四分之一圆弧波导的外圆半径r3为300μm~350μm，第二横向波导的长度为300μm~400μm，第二半圆环波导的外圆半径r4为400μm~450μm，四分之三圆弧波导的外圆半径r5为250μm~300μm。

本发明的跑道形结构的太赫兹波偏振分束器具有结构简单紧凑、尺寸小、分束率高、便于制作、易于集成等优点。满足在医学检测、无损探测、太赫兹波成像等领域的需求。

附图说明：

图1是跑道形结构的太赫兹波偏振分束器结构示意图；

图2是右侧螺旋形波导的组成结构示意图；

图3是跑道形结构的太赫兹波偏振分束器尺寸标注示意图；

图4是第一信号输出端的TM波、TE波传输曲线；

图5是第二信号输出端的TE波、TM波传输曲线。

具体实施方式

如图1~3所示，跑道形结构的太赫兹波偏振分束器包括太赫兹波输入端1、第一信号输出端2、第二信号输出端3、基体4、左侧n形波导5、中间耦合区域6、右侧螺旋形波导7；基体4上设有左侧n形波导5、中间耦合区域6、右侧螺旋形波导7，左侧n形波导5为上下对称结构，左侧n形波导5包括顺次连接L形波导、半圆环波导和倒L形波导，L形波导由上侧纵向波导、上侧四分之一圆弧波导、上侧横向波导依次连接而成，倒L形波导由下侧纵向波导、下侧四分之一圆弧波导、下侧横向波导依次连接而成，中间耦合区域6由上下左右对称的四个跑道形结构8组成，其中两个跑道形结构8纵向排列在中间耦合区域6的中间位置，余下的两个跑道形结构8分别横向排列在中间位置的上、下两侧，跑道形结构8由外侧的跑道形波导9和内侧的跑道形柱体10组成，右侧螺旋形波导7由从右到左顺次排列的第二纵向波导11、第二四分之一圆弧波导12、第二横向波导13、第二半圆环波导14、四分之三圆弧波导15连接而成，第二半圆环波导14和四分之三圆弧波导15组成一个向内螺旋的结构；太赫兹波从太赫兹波输入端1输入，TM波直接经左侧n形波导5从第一信号输出端2输出，通过中间耦合区域6的耦合作用，TE波从第二信号输出端3输出，获得偏振分束的功能。

所述的基体4的材料为二氧化硅，长度为2900μm~3000μm，宽度为1880μm~2000μm，厚度为300μm~400μm。所述的波导的材料为硅，宽度均为50μm~80μm，厚度均为30μm~40μm。所述的左侧n形波导5的上侧纵向波导长度为400μm~500μm，上侧四分之一圆弧波导的外圆半径r1为100μm~120μm，上侧横向波导长度为300μm~400μm，半圆环波导的外圆半径r2为400μm~450μm。所述的中间耦合区域6与左侧n形波导5和右侧螺旋形波导7之间的距离均为20μm~30μm；中间耦合区域6中两个纵向排列的跑道形结构8间隔距离为10μm~20μm，上、下两侧横向排列的跑道形结构8与两个纵向排列的跑道形结构8之间的距离均为20μm~30μm。所述的跑道形波导9的外圆半径为200μm~250μm，跑道形波导9的横向直线形波导长为300μm~400μm；所述的跑道形柱体10长度为560μm~580μm，宽度为140μm~160μm。所述的右侧螺旋形波导7的第二纵向波导11的长度为1040μm~1100μm，第二四分之一圆弧波导12的外圆半径r3为300μm~350μm，第二横向波导13的长度为300μm~400μm，第二半圆环波导14的外圆半径r4为400μm~450μm，四分之三圆弧波导15的外圆半径r5为250μm~300μm。

实施例1

跑道形结构的太赫兹波偏振分束器：

基体的材料为二氧化硅，长度为2900μm，宽度为1880μm，厚度为400μm。波导的材料为硅，宽度均为80μm，厚度均为40μm。左侧n形波导的上侧纵向波导长度为500μm，上侧四分之一圆弧波导的外圆半径r1为120μm，上侧横向波导长度为300μm，半圆环波导的外圆半径r2为400μm。中间耦合区域与左侧n形波导和右侧螺旋形波导之间的距离均为20μm；中间耦合区域中两个纵向排列的跑道形结构间隔距离为10μm，上、下两侧横向排列的跑道形结构与两个纵向排列的跑道形结构之间的距离均为20μm。跑道形波导的外圆半径为200μm，跑道形波导的横向直线形波导长为400μm；跑道形柱体长度为560μm，宽度为160μm。右侧螺旋形波导的第二纵向波导的长度为1040μm，第二四分之一圆弧波导的外圆半径r3为300μm，第二横向波导的长度为400μm，第二半圆环波导的外圆半径r4为400μm，四分之三圆弧波导的外圆半径r5为250μm。

太赫兹波从太赫兹波输入端输入，TM波直接经左侧n形波导从第一信号输出端输出，通过中间耦合区域的耦合作用，TE波从第二信号输出端输出，获得偏振分束的功能。第一信号输出端的TM波、TE波波传输曲线如图4所示，在0.70~1.10THz频段范围内，TM波最小传输率为0.987，TE波最大传输率为0.015，这说明TM波从第一信号输出端输出。第二信号输出端的TE波、TM传输曲线如图5所示，在0.70~1.10THz频段范围内，TE最小传输率为0.990，TM波最大传输率为0.018，这说明TE波从第二信号输出端输出。

Claims

1.一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于包括太赫兹波输入端（1）、第一信号输出端（2）、第二信号输出端（3）、基体（4）、左侧n形波导（5）、中间耦合区域（6）、右侧螺旋形波导（7）；基体（4）上设有左侧n形波导（5）、中间耦合区域（6）、右侧螺旋形波导（7），左侧n形波导（5）为上下对称结构，左侧n形波导（5）包括顺次连接L形波导、半圆环波导和倒L形波导，L形波导由上侧纵向波导、上侧四分之一圆弧波导、上侧横向波导依次连接而成，倒L形波导由下侧纵向波导、下侧四分之一圆弧波导、下侧横向波导依次连接而成，中间耦合区域（6）由上下左右对称的四个跑道形结构（8）组成，其中两个跑道形结构（8）纵向排列在中间耦合区域（6）的中间位置，余下的两个跑道形结构（8）分别横向排列在中间位置的上、下两侧，跑道形结构（8）由外侧的跑道形波导（9）和内侧的跑道形柱体（10）组成，右侧螺旋形波导（7）由从右到左顺次排列的第二纵向波导（11）、第二四分之一圆弧波导（12）、第二横向波导（13）、第二半圆环波导（14）、四分之三圆弧波导（15）连接而成，第二半圆环波导（14）和四分之三圆弧波导（15）组成一个向内螺旋的结构；太赫兹波从太赫兹波输入端（1）输入，TM波直接经左侧n形波导（5）从第一信号输出端（2）输出，通过中间耦合区域（6）的耦合作用，TE波从第二信号输出端（3）输出，获得偏振分束的功能。

2.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的基体（4）的材料为二氧化硅，长度为2900μm~3000μm，宽度为1880μm~2000μm，厚度为300μm~400μm。

3.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的波导的材料为硅，宽度均为50μm~80μm，厚度均为30μm~40μm。

4.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的左侧n形波导（5）的上侧纵向波导长度为400μm~500μm，上侧四分之一圆弧波导的外圆半径r1为100μm~120μm，上侧横向波导长度为300μm~400μm，半圆环波导的外圆半径r2为400μm~450μm。

5.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的中间耦合区域（6）与左侧n形波导（5）和右侧螺旋形波导（7）之间的距离均为20μm~30μm；中间耦合区域（6）中两个纵向排列的跑道形结构（8）间隔距离为10μm~20μm，上、下两侧横向排列的跑道形结构（8）与两个纵向排列的跑道形结构（8）之间的距离均为20μm~30μm。

6.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的跑道形波导（9）的外圆半径为200μm~250μm，跑道形波导（9）的横向直线形波导长为300μm~400μm；所述的跑道形柱体（10）长度为560μm~580μm，宽度为140μm~160μm。

7.根据权利要求1所述的一种跑道形结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的右侧螺旋形波导（7）的第二纵向波导（11）的长度为1040μm~1100μm，第二四分之一圆弧波导（12）的外圆半径r3为300μm~350μm，第二横向波导（13）的长度为300μm~400μm，第二半圆环波导（14）的外圆半径r4为400μm~450μm，四分之三圆弧波导（15）的外圆半径r5为250μm~300μm。