CN103278886A - 太赫兹双波长环路耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于，具有：复数个传递单元和基体，其中，传递单元分为用于传输第一电磁波的第一传递单元和用于传输第二电磁波的第二传递单元，传递单元排列成为两个轮廓线为光滑的开放曲线的开放区域和一个轮廓线为光滑的闭合曲线的环路区域，环路区域分为由第一传递单元组成的和由第二传递单元组成的两部分，开放区域由第一传递单元与第二传递单元相间排列组成，开放区域也可以一个由第二传递单元组成的部分与第一传递单元与第二传递单元相间排列的部分构成，另一个由第一传递单元与第二传递单元相间排列的部分和第一传递单元组成的部分构成，在同一区域内，相邻的传递单元之间的距离为固定值。
Description
技术领域
本发明涉及环路耦合器，具体涉及太赫兹双波长环路耦合器。
背景技术
太赫兹（THz）波是位于微波和远红外线之间的电磁波。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，环路耦合器是太赫兹应用的一种基本的功能器件，也是太赫兹无线通信领域的重要器件，其发展一直备受重视。
2003年，德国学者A.Christ在“量子电子学和激光科学”（QELS）会议上报道了一维周期性金属表面存在可以传导的表面等离子激元（SPP）。从而从理论上指出利用金属光栅制作波导的可行性。（Soc.Am.QELS,1,2003）。2011年，浙江大学Y.G.Ma等人，率先通过理论和实验方法制备出基于单个周期金属光栅结构的单波长分路器和耦合器（Opt.Exp.19(22),21189,2011）。2012年，东南大学的崔铁军等人实现了吉赫兹波段的基于复合周期金属波导光栅的双波长波导，同时还指出这种器件能稳定传输的两个波长就是组成复合周期的两个子周期所能传输的波长（J.Phys.D:Appl.Phys.45,505104,2012）。
随着太赫兹频段的通讯技术越来越趋于成熟，可以预见在不久的将来，太赫兹波段的通讯会有迅猛地发展。而多个传输通道对于电磁波通讯来说，相当于开通了多个通讯信道。因此波分复用（WDM）技术会得到快速的发展。在波分复用技术应用中最具有实用价值的之一的器件是多波长环路耦合器，本专利介绍了两种基于金属光栅波导的最简单的太赫兹环路耦合器——双波长太赫兹环路耦合器。对于多个波长的太赫兹环路耦合器可以类似处理。
以上所引的文章中描述的太赫兹或吉赫兹器件，都只还有一个传输通道，无法产生多个传输通道。即使含有双通道，但是不存在能将两个波长整合或分离的环路耦合器，使得其在电磁波通讯领域的应用因而受到了限制。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能将两个波长整合或分离的太赫兹双波长环路耦合器。为了达到以上目的，本发明采取了以下技术方案。
一种太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于，具有：复数个传递单元，用于传递太赫兹电磁波；以及基体，用于承载传递单元，其中，传递单元分为第一传递单元和第二传递单元，第一传递单元用于传输第一电磁波，第二传递单元用于传输第二电磁波，传递单元排列成为两个开放区域和一个环路区域，开放区域的轮廓线为光滑的开放曲线，环路区域的轮廓线为一条光滑的闭合曲线，两条开放曲线彼此不相交，并且都与闭合曲线相切，闭合曲线与开放曲线的切点的连线将环路区域分成两部分，一部分由第一传递单元组成，另一部分由第二传递单元组成，开放区域由第一传递单元与第二传递单元相间排列组成，在同一区域内，相邻的传递单元之间的距离为固定值。
同时，还提供一种太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于，具有：复数个传递单元，用于传递太赫兹电磁波；以及基体，用于承载传递单元，其中，传递单元分为第一传递单元和第二传递单元，第一传递单元用于传输第一电磁波，第二传递单元用于传输第二电磁波，传递单元排列成为两个开放区域和一个环路区域，开放区域的轮廓线为光滑的开放曲线，环路区域的轮廓线为一条光滑的闭合曲线，两条开放曲线彼此不相交，并且都与闭合曲线相切，闭合曲线与开放曲线的切点的连线将环路区域分成两部分，第一部分由第一传递单元组成，第二部分由第二传递单元组成，开放曲线上的切点将开放曲线分成两部分，在一条开放曲线上，相对于切点，开放曲线与第一部分同侧区域由第二传递单元组成，与第二部分同侧区域由第一传递单元与第二传递单元相间组成，在另一条开放曲线上，相对于切点，开放曲线与第二部分同侧区域由第一传递单元组成，与第一部分同侧区域由第一传递单元与第二传递单元相间组成，在同一区域内，相邻的传递单元之间的距离为固定值。
进一步，提供一种太赫兹双波长环路耦合装置，其特征在于，具有：至少一个第一耦合器；至少一个第二耦合器；以及底座，用于承载第一耦合器和第二耦合器，其中，第一耦合器是和第二耦合器是上述的两种太赫兹双波长环路耦合器。
发明的有益效果
因为本发明所采用的技术方案中，采用了单周期金属光栅波导结构和复合周期光栅波导结构相结合的结构，太赫兹波在金属光栅波导表面耦合成表面等离子激元（SPP）在设计的过渡区域发生太赫兹波的转移,最终实现了太赫兹双波长环路耦合。从而实现了两个波长整合或分离的功能。
附图说明
图1为本发明太赫兹双波长环路耦合器的结构示意图；
图2为本发明的太赫兹双波长环路耦合器的使用方法和实现功能示意图；
图3为本发明的太赫兹双波长环路耦合器的传输色散图；
图4为本发明太赫兹双波长环路耦合装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明具体实施方式进行详细阐述。
A型太赫兹双波长环路耦合器：
实施例1
加工两种长方体金属块若干作为传递单元，其中一种传递单元（第一传递单元）的尺寸为300μm×65μm×0.5mm，另一种传递单元（第二传递单元）的尺寸为150μm×65μm×0.5mm。
图1为本发明太赫兹双波长环路耦合器的结构示意图。
如图1a所示，将上述传递单元垂直的设置在一大的长方体金属块的一个面上，其中，第一传递单元与第二传递单元垂直于该面的边长度分别为300μm和150μm，成两种不同高度的柱状。传递单元排列成两条平行的直线段，其间距为4mm，每条直线段上的第一传递单元和第二传递单元（即高柱和矮柱）各有300个，相间排列。同时，在两条直线段之间，传递单元还排列成一个与两条直线段都相切的圆，即圆半径r为2mm，并且切点为直线段中点。以两切点连线为分界，将圆分成两个半圆，其中一个半圆都由第一传递单元（即高柱）排列而成，另一个半圆由第二传递单元（即矮柱）排列而成。在延直线段方向上和圆周方向上，相邻的传递单元之间距离为60μm，传递单元在该方向上的边长度为65μm。而传递单元的另一边，即边长为0.5mm的边，则与处于直线段垂直方向或圆直径方向。
实施例2
在长方体金属块上加工两种加工横截面相同，为65μm×0.5mm，深度分别为300μm和150μm的长方体槽作为传递单元。其中深300μm的槽（深槽）等效为实施例1中的高柱，深150μm的槽（浅槽）等效为实施例1中的矮柱，将两种传递单元按实施例1中的方式排列。
实施例3
以非金属材料代替实施例1中的金属材料，加工与实施例1中长方体金属块尺寸相同的两种传递单元，并在其表面镀一层金属，传递单元按照实施例1中的方式排列。
实施例4
在长方体非金属材料上加工如实施例2中传递单元的两种长方体槽，在槽表面镀一层金属，作为传递单元，并按照实施例1中的方式排列。
B型太赫兹双波长环路耦合器：
实施例5
加工两种长方体金属块若干作为传递单元，其中一种传递单元（第一传递单元）的尺寸为300μm×65μm×0.5mm，另一种传递单元（第二传递单元）的尺寸为150μm×65μm×0.5mm。
如图1b所示，将上述传递单元垂直的设置在一大的长方体金属块的一个面上，其中，第一传递单元与第二传递单元垂直于该面的边长度分别为300μm和150μm，成两种不同高度的柱状。传递单元排列成两条平行的直线段，其间距为4mm。同时，在两条直线段之间，传递单元还排列成一个与两条直线段都相切的圆，即圆半径r为2mm，并且切点为直线段中点。以两切点连线为分界，将圆分成两个半圆，其中一个半圆都由第一传递单元（即高柱）排列而成，另一个半圆由第二传递单元（即矮柱）排列而成。同时也将直线段分别分成两部分，其中，一条直线段在与高柱组成的半圆周同侧由矮柱排列而成，异侧由高柱和矮柱相间排列而成；另一条直线段在与高柱组成的半圆周同侧由高柱和矮柱相间排列而成，异侧由高柱排列而成。每条直线段上共有柱状传递单元600个。在延直线段方向上和圆周方向上，相邻的传递单元之间距离为60μm，传递单元在该方向上的边长度为65μm。而传递单元的另一边，即边长为0.5mm的边，则与处于直线段垂直方向或圆直径方向。
实施例6
在长方体金属块上加工两种加工横截面相同，为65μm×0.5mm，深度分别为300μm和150μm的长方体槽作为传递单元。其中深300μm的槽（深槽）等效为实施例5中的高柱，深150μm的槽（浅槽）等效为实施例5中的矮柱，将两种传递单元按实施例5中的方式排列。
实施例7
以非金属材料代替实施例5中的金属材料，加工与实施例5中长方体金属块尺寸相同的两种传递单元，并在其表面镀一层金属，传递单元按照实施例5中的方式排列。
实施例8
在长方体非金属材料上加工如实施例6中传递单元的两种长方体槽，在槽表面镀一层金属，作为传递单元，并按照实施例5中的方式排列。
图2是本发明的太赫兹双波长环路耦合器的使用方法和实现功能示意图。下面根据图3对上述太赫兹双波长环路耦合器的使用方法和实现功能的过程进行详细阐述。
如图2所示，A型第1张图，右上角复合周期光栅同时输入“高柱或深槽能够传输的模式”（以下简称“模式1”）和“矮柱或浅槽能够传输的模式”（以下简称“模式2”）。“模式”是指能够稳定传输又互不影响的特定频率的电磁波，对应波分复用中的通道的概念。由于左上也是复合周期光栅，能够传输并输出这两种模式。沿着切线方向的圆弧由于是由高柱或深槽组成，仅能传输模式1。由于电磁波传输有方向性，逆着切线方向的圆弧，虽然是由矮柱或浅槽组成，但不能传输模式2。模式1经过环路耦合到右下，由于右下是复合周期光栅，能够传输模式1，从而能从右下输出。从而实现了模式1的复制操作。
A型第2张图基本原理同A型第1张图，只是完成了模式2的复制操作。
A型第3张图，右上作为模式1的输入，左下作为模式2的输入。经过环路的耦合，在左上和右下输出相同的同时包含两个模式的电磁波。从而实现了波分复用。
A型第4张图，上面复合模式从右往左传输，下面的复合模式从左往右传输，但两者携带的信息并不完全相同（携带的调制信息不同）。上下两个传输线能够通过环路交换1个模式：上传输线能将模式1糅合到下传输线中，下传输线能将模式2糅合到上传输线中。从而实现了两个传输线间的模式交换。
B型第1张图，右上复合模式输入。由于B型的特殊结构，输入的复合模式会在上切点处耦合并分成两路，每路仅传输一个模式的电磁波。从而实现了波分解复用功能。
B型第2张图基本原理同B型第1张图，只是输入改为左下，实现的功能也同上图。
B型第3张图，左上、右下的单周期光栅分别输入模式2和模式1，经过环路的交换和耦合，能在左下和右上得到经过复合的模式，且两者相同。从而实现了波分复用。
B型第4张图，左下和右上输入不完全相同的复合模式（携带的调制信息不同）。经过环路耦合之后，可以分离并糅合两个复合信号中的模式1和模式2，分别在右下和左上输出。输出为单一模式，但却同时包含了两个输入端的信息，从而实现了信号的分离并重新整合。
以实施例1-8中的太赫兹双波长环路耦合器进行太赫兹电磁波传输色散实验，发射源发射任意频率的电磁波到输入端，得到相同的复合周期性光栅结构前2阶模式和高矮两种单周期型光栅最低阶模式的传输色散效果图。
图3为本发明的太赫兹双波长环路耦合器的传输色散图。
如图3所示，频率在0～426.78GHz内的电磁波在双波长环路耦合器表面都能得到耦合，但能够稳定传输的模式只有2个（不考虑更高阶模式）。当传输达到稳态时（对应波矢为正无穷，形成驻波），2个模式对应的波长分别为：225.3、327.5GHz。同时，这也是高矮两种单周期型光栅的最低阶的频率，由于这些模式的频率相同，故它们能在切点附近处进行转移。证明本实例确实能够实现双波长环路耦合功能。除1阶模外，其他模式都有频率下限，2阶模为：182.2，使其能够在实验中得到区分检验。
太赫兹双波长环路耦合装置：
实施例9
图4为本发明太赫兹双波长环路耦合装置的结构示意图。
如图4所示，太赫兹双波长环路耦合器组1包括上述实施例中的至少一个A型和至少一个B型太赫兹双波长环路耦合器，设置在水平位移台2上，而样品架4、竖直位移台3和水平位移台2由下到上层叠构成底座。工作时，通过调节水平位移台和竖直位移台可以控制太赫兹双波长环路耦合器的位置，从而使待处理的电磁波准确的从入射端进入。
以上，仅为本发明的几种具体实施方式而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (9)
1.一种太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于，具有：
复数个传递单元，用于传递太赫兹电磁波；以及
基体，用于承载所述传递单元，
其中，所述传递单元分为第一传递单元和第二传递单元，
所述第一传递单元用于传输第一电磁波，
所述第二传递单元用于传输第二电磁波，
所述传递单元排列成为两个开放区域和一个环路区域，
所述开放区域的轮廓线为光滑的开放曲线，
所述环路区域的轮廓线为一条光滑的闭合曲线，
两条所述开放曲线彼此不相交，并且都与所述闭合曲线相切，
所述闭合曲线与所述开放曲线的切点的连线将所述环路区域分成两部分，一部分由第一传递单元组成，另一部分由第二传递单元组成，
所述开放区域由第一传递单元与第二传递单元相间排列组成，
在同一区域内，相邻的所述传递单元之间的距离为固定值。
2.一种太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于，具有：
复数个传递单元，用于传递太赫兹电磁波；以及
基体，用于承载所述传递单元，
其中，所述传递单元分为第一传递单元和第二传递单元，
所述第一传递单元用于传输第一电磁波，
所述第二传递单元用于传输第二电磁波，
所述传递单元排列成为两个开放区域和一个环路区域，
所述开放区域的轮廓线为光滑的开放曲线，
所述环路区域的轮廓线为一条光滑的闭合曲线，
两条所述开放曲线彼此不相交，并且都与所述闭合曲线相切，
所述闭合曲线与所述开放曲线的切点的连线将所述环路区域分成两部分，第一部分由第一传递单元组成，第二部分由第二传递单元组成，
所述开放曲线上的切点将所述开放曲线分成两部分，
在一条所述开放曲线上，相对于所述切点，所述开放曲线与所述第一部分同侧区域由所述第二传递单元组成，与所述第二部分同侧区域由第一传递单元与第二传递单元相间组成，
在另一条所述开放曲线上，相对于所述切点，所述开放曲线与所述第二部分同侧区域由所述第一传递单元组成，与所述第一部分同侧区域由第一传递单元与第二传递单元相间组成，
在同一区域内，相邻的所述传递单元之间的距离为固定值。
3.根据权利要求1或2所述的太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于：
其中，所述第一电磁波和第二电磁波为两种波长不同的太赫兹电磁波。
4.根据权利要求1或2所述的太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于：
其中所述基体是长方体的金属或非金属块。
5.根据权利要求1或2所述的太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于：
其中，所述第一传递单元和第二传递单元为设置在所述基体上的底面全等而高不同的长方体柱或槽，所述长方体柱或槽与空气界面为金属。
6.根据权利要求1或2所述的太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于：
其中，所述闭合曲线为圆，
所述开放曲线为直线段，
两条所述直线段互相平行，
所述传递单元有两个面与所述直线段垂直。
7.根据权利要求6所述的太赫兹双波长环路耦合器，其特征在于：
其中，各参数优化如下，
在同一曲线上，相邻的所述传递单元之间的距离为60μm。
所述传递单元延所述直线段方向或所述圆切线方向的边长度为65μm，
所述传递单元与所述直线段垂直方向或所述圆半径方向的边长度为0.5mm，
所述第一传递单元高度为300μm，
所述第二传递单元高度为150μm，
所述直线段间距离为4mm，
所述圆与所述直线段相切于直线段中点，
所述直线段上具有600个传递单元。
8.一种太赫兹双波长环路耦合装置，其特征在于，具有：
至少一个第一耦合器；
至少一个第二耦合器；以及
底座，用于承载所述第一耦合器和所述第二耦合器，
其中，所述第一耦合器是权利要求1中所述的太赫兹双波长环路耦合器，
所述第二耦合器是权利要求2中所述的太赫兹双波长环路耦合器。
9.根据权利要求8所述的太赫兹双波长环路耦合装置，其特征在于：
其中，所述底座由水平位移台、竖直位移台以及样品架组成，
所述水平位移台用于带动所述第一耦合器和所述第二耦合器在水平方向移动，
所述竖直位移台用于带动所述第一耦合器和所述第二耦合器在竖直方向移动，
所述样品架用于承载整个装置。
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