CN104914503A - 一种太赫兹波可调谐模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹波可调谐模式转换器，由一种矩形周期起伏结构构成的中空圆柱状金属内壁波导，利用波导中不同横向驻波模式间的共振相互作用实现太赫兹波从基模到单一高阶模式的转换，进一步，通过改变矩形周期起伏管壁内金属涂覆层的厚度可以实现太赫兹波模式转换器输出频率的调谐，所述可调谐模式转换器能够实现输出中心频率宽带线性可调。本发明设计合理，具有结构简单、可调谐范围宽、损耗小、转换效率高和便于集成等特点，可在对太赫兹波模场分布及工作频率有特殊要求的领域中获得广泛的应用，为太赫兹波应用系统中功能型器件的设计与制作提供了新的选择。

Description

一种太赫兹波可调谐模式转换器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹可控功能器件，尤其涉及一种太赫兹波可调谐模式转换器，太赫兹波可调谐模式转换器。

背景技术

太赫兹波介于毫米波及红外光波之间，它不仅具有毫米波及红外光波的一些优点(如具有良好的穿透性，能够有效穿透非金属物质，成像的分辨率高等)，还具有透视性、瞬态性、高信噪比和低光子能量等优点，使其在成像、雷达、光谱、医学、通信和公共安全等领域具有重要的研究价值和深远的应用前景。近年来，太赫兹波科学与技术的研究成为光学领域的研究热点。发展太赫兹系统主要包括辐射源、探测器件和各种功能型器件，其中太赫兹波功能型器件(如滤波器、分束器、模式转换器、开关等)是太赫兹波应用系统的核心部分，必不可少。太赫兹波段功能型器件尤其是可控功能器件匮乏，限制了太赫兹波技术的进一步应用。

在一些重要的应用领域如超透明器件、量子级联激光器、无衍射光束和低传输及弯曲损耗波导中需要进行模式调控，这对高功率波的传输、测量等均十分重要，因此对模式转换器的研制势在必行。理论上，模式转换器包括一切能够实现模式转换功能的器件。目前，常见的模式转换器主要有：(1)基于光纤光栅的模式转换器(Journal of LightwaveTechnology,2005,23(11),3426)，采用光纤光栅将光纤中的基模转换为高阶模，但是不能获得100％的模式耦合，且基模剩余能量会对高阶模的传输产生干扰。(2)基于光子晶体光纤的模式转换器(一种光纤模式转换器，专利申请号：200810021652.8)，是一种双芯光子晶体光纤，包括由基质材料构成的包层和两种大小不等的空气孔组成的纤芯。利用两种纤芯中基模与高阶模之间的能量耦合，实现基模与高阶模之间的转换。此种模式转换器能够使基模与高阶模完全分离，但不能保证基模和高阶模的完全转换。(3)基于波导的模式转换器(一种波导模式转换器，专利申请号：201410421925.3)，利用多模干涉结构的自镜像原理实现超低损耗的条形波导与沟道波导基模的模式转换。此种波导模式转换器易于加工，转换效率高，但是不能实现基模到高阶模的转换。

绝大数的波导型单模器件都是基于波导的截止频率实现的，因此，所能利用的单模仅仅是波导中的基模。但是在许多现实的应用中需要用到不同的模场分布，有时需要将基模抑制掉，获得单一的高阶模式。由于基模具有最低的截止频率，所以对基模的抑制就变成了一个非常困难的课题。如何能够简单地实现波导中各模式的按需选择就成为一个富有挑战性的科学问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种在太赫兹频段不仅能够实现从基模到单一高阶模高效转换，而且输出的高阶模中心频率在一个较宽范围内可调的太赫兹波可调谐模式转换器。

本发明的目的是这样实现的：包括至少两个矩形周期起伏结构组成的中空式圆柱状金属内壁波导，中空式圆柱状金属内壁波导的内表面设置有金属层。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.每个矩形周期的长度是Λ，其中c是真空中光速，n是Bragg共振的阶数，f₀是工作频率，是m阶Bessel函数的零点；

矩形周期起伏参数是ε，ε＝0.1r₀，其中r₀是中空式圆柱状金属内壁波导的平均半径， $r_0=c\·k_r^{(m+1)}/\left(2{\mathrm{\πf}}_0\right).$

2.所述金属层的厚度是0-70μm，金属层的材料是金或银或铝。

3.中空式圆柱状金属内壁波导的材料是硅或石英或玻璃或树脂材料或聚合物或陶瓷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)在周期起伏金属内壁波导中利用模间共振机理有效地实现了从基膜基模到单一高阶模式的有效转换，无需复杂的光学系统，结构十分简单紧凑，尺寸小，重量轻，易于小型化，便于集成。(2)基模基本无能量剩余，高效地转换为单一高阶模式输出。(3)通过改变内壁涂覆金属层的厚度实现转换频率的调谐，调谐范围宽。(4)模式转换器为一整体的闭合金属波导结构，可避免外界电磁辐射的干扰和介质的损耗，损耗小，可靠性高。本发明可满足太赫兹波通信、成像、生物工程等系统对模场分布的要求，尤其是有利于太赫兹系统的小型化和集成化，在太赫兹应用领域中有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的一个周期的矩形周期起伏结构的内部结构示意图；

图3是本发明实施例中波导模式转换器中电磁场分布纵向截面图；

图4是本发明实施中波导模式转换器输出单一高阶模中心频率随金层厚度的变化。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明所依据的原理是：

太赫兹波导可调谐模式转换器结构的设计原理为：低阶模式的太赫兹波入射到圆柱状金属内壁波导中，在矩形周期起伏结构中发生横向驻波模式的共振相互作用，在输出端输出单一的高阶模式。第m阶横向模式的色散曲线可由下式给出：

$f_r^{\left(m\right)}=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{r_0^2}+{(\mathrm{\β}+\frac{2n\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}})}^2}---\left(1\right)$

式中，是第m阶Bessel函数的零点，m的取值为1,2,3,...r₀是圆柱状金属内壁波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,...，Λ是矩形起伏结构的周期长度。其中，当高阶模式的截止频率等于低阶模式的共振频率时，不同横向驻波模式间产生共振相互作用，使得低阶模式被抑制，而单一高阶模式能够产生并传播，也就是实现从低阶模式到高阶模式的转换。

进一步，通过控制矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆金属层的厚度，改变圆柱状金属内壁波导的谱带结构，从而控制模式转换器通带位置的移动，实现输出频率调谐的功能。当金属层厚度不断增大，圆柱状金属内壁波导的谱带位置由低频向高频移动，从而使模式转换器的通带向高频移动，实现输出频率调谐。因此可根据实际需要的模场分布和工作频率，来选择波导结构参数和波导内壁金属层的涂覆厚度。

一种太赫兹波导可调谐模式转换器，是由矩形周期起伏管壁构成的圆柱状金属内壁波导，所述矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层。在所述外层矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层，所述金属层的厚度在0-70μm之间改变。所述矩形周期起伏结构的管壁材料为硅、石英、各种玻璃、树脂材料、聚合物、陶瓷等。其内壁金属涂层可以用金、银、铝等金属材料。所述矩形周期起伏结构参数可由多横模共振相互作用机理给出：由圆柱状金属内壁波导中第m阶横向模式的色散曲线—式中：是m阶Bessel函数的零点，m的取值为1,2,3,...r₀是圆柱状波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,...Λ是矩形起伏结构的周期长度)可知，在传播常数β等于0时，第m阶横向模式发生共振作用(即n＝1,2,...)，其共振频率为当第m+1阶横向模式的截止频率(即n＝0)与第m阶横向模式的共振频率相等时，设定圆柱状波导的工作频率为可以求出圆柱状金属波导的平均半径 $r_0=c\·k_r^{(m+1)}/\left(2{\mathrm{\πf}}_0\right),$ 矩形起伏结构的周期 $\mathrm{\Λ}=c\·n/\left(f_0\sqrt{1-{(k_r^{\left(m\right)}/k_r^{(m+1)})}^2}\right).$ 其中，所述圆柱状波导的矩形周期起伏参数为ε＝0.1r₀，所述矩形周期起伏结构占空比为1:1，根据设计也可以包括其他占空比结构。低阶太赫兹波从此结构参数下圆柱状波导的输入端输入，在矩形周期起伏结构中发生第m阶及第m+1阶横向驻波模式的共振相互作用，输出端输出单一的高阶模式太赫兹波，实现高效的模式转换。圆柱状金属内壁波导的制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在硅片、石英、玻璃或聚合物上成型。之后，利用X-LIGA工艺在所述矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属。通过改变金属层的厚度(0-70μm)，使输出谱带结构发生改变，从而实现模式转换器频率的调谐。随着金属层厚度增大，模式转换器输出频率向高频移动，该波导模式转换器可实现输出频率宽带线性调谐。

一种太赫兹波可调谐模式转换器，它是由矩形周期起伏结构构成的中空圆柱状金属内壁波导。低阶太赫兹波从所述圆柱状金属内壁波导的输入端输入，在矩形周期起伏结构中发生横向驻波模式的共振相互作用，输出端出射单一的高阶模式，实现高效的模式转换。所述矩形周期起伏结构参数可由多横模共振相互作用机理给出，周期长度为Λ，其中c是真空中光速，是m阶Bessel函数的零点，f₀是工作频率)，所述圆柱状金属内壁波导的平均半径为r₀，周期起伏参数为ε，ε＝0.1r₀。所述矩形周期起伏结构占空比为1:1，根据设计也可以包括其他占空比结构。在所述外层矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层，所述金属涂覆层的厚度在一个合适范围内改变。通过改变金属层的厚度，使输出谱带结构发生改变，从而实现模式转换器输出频率的调谐。

所述矩形周期起伏结构的管壁1材料为硅、石英、各种玻璃、树脂材料、聚合物、陶瓷等。

其内壁金属涂覆层2可以用金、银、铝等金属材料。

其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在硅片、石英、玻璃或聚合物上成型。之后，利用X-LIGA工艺在所述矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层。

如前所述，在波导中可以实现模式转换，但是由于基模具有最低的截止频率，需要十分复杂的光学系统才能将基模抑制掉，而获得单一高阶模场分布。本发明详细描述了一种在太赫兹频段可调谐的圆柱状金属内壁波导模式转换器，利用不同横向驻波模式间的共振相互作用实现了太赫兹波从基模到单一高阶模的转换，并且通过控制内壁金属涂覆的厚度，实现了模式转换器输出单一高阶模式中心频率的线性调谐。

下面结合附图及实施例，对本发明的目的、技术方案及优点做更详尽地描述。本实施例选择工作频率在1THz附近的可调谐模式转换器，实现从低阶模TM₁模到高阶模TM₂模之间的转换。

图1和图2是圆柱状矩形周期起伏金属内壁波导的结构示意图。其中，外层基质材料1是聚合物材料，使用MEMS深度光刻工艺制作成中空的圆柱状波导；金属层2选择金，利用X-LIGA工艺，沿着矩形周期起伏结构管壁的内表面涂覆不同的厚度；中心区域为空气。

TM₁阶太赫兹波从圆柱状波导模式转换器的输入端入射，在矩形周期起伏管壁构成的中心空气层中激发高阶模式，不同横向驻波模式产生共振作用，使得低阶模式被抑制，单一高阶模式TM₂加强并传播到圆柱状波导的输出端，从而实现太赫兹波的模式转换。图2给出了金层厚度为30μm，波导模式转换器中电磁场分布的纵向截面图，可以看出实现了从TM₁模到TM₂模的模式转换。

下面，根据图3、图4进一步描述本发明：

太赫兹波以TM₁模式从圆柱状波导的输入端输入，选定工作频率为f₀＝1THz，且发生最低阶Bragg共振(即n＝1)，即TM₂模的截止频率等于TM₁模的共振频率(等于1THz)，由多横模共振相互作用机理可以得到具体尺寸如下：圆柱状波导的平均半径r₀＝264μm，矩形周期起伏结构的周期长度Λ＝334μm，周期起伏参数ε＝0.1，r₀＝26.4μm，矩形周期起伏结构占空比为1:1。此时，在可选的具有二十个矩形周期起伏结构的圆柱状波导中发生不同横向驻波模式间的共振相互作用，使得低阶模TM₁模被抑制，高阶模TM₂模得到加强，结果在圆柱状波导输出端得到纯净的TM₂模太赫兹波输出。由于圆柱状波导的对称性，图3给出金层厚度为30μm时，波导模式转换器中电磁场分布的纵向截面图。由图3可见，光场从圆柱状波导输入端以TM₁模入射到波导模式转换器中，逐渐转换为TM₂模输出。由此，在这样结构简单的波导模式转换器中，TM₁模式被有效地转换成TM₂模式并传播，输出端基本无低阶模式能量剩余，为纯净的单一高阶模式，也就是实现了从低阶模式到高阶模式的高效转换。

接着，在上述太赫兹波导可调谐模式转换器的结构尺寸下，改变矩形周期起伏结构管壁内表面涂覆金层的厚度，可以实现模式转换频率的调谐。具体地，在上述模式转换器的矩形周期起伏结构的管壁内表面，利用X-LIGA工艺涂覆金层，所述涂覆金层的厚度分别为10μm/20μm/30μm/40μm/50μm/60μm/70μm。通常，当波导内金属层的厚度小于金属的趋肤深度时，太赫兹波可以穿透金属层，带来较大的损耗，所以内金属层的厚度至少要大于金属的趋肤深度。在太赫兹波段(0.1～10THz)，金的趋肤深度小于1μm，所述涂覆金层的厚度远大于金的趋肤深度，可以认为金层是无限厚的，且波导的损耗较小。按以上方法涂覆金层后，以此改变圆柱状金属内壁波导的谱带结构，这样可以控制模式转换器通带位置的移动，实现输出频率调谐的功能。

如图4所示，涂覆金层厚度分别为10μm/20μm/30μm/40μm/50μm/60μm/70μm时，模式转换器输出单一高阶模中心频率的变化曲线。从图4可看出，模式转换器输出单一高阶模的中心频率随涂覆金层厚度的增加而向高频移动，输出单一高阶模的中心频率从1.018THz到1.145THz线性可调，可调范围达到127GHz。这样，模式转换器输出单一高阶模的中心频率线性可调，可以根据实际需要的工作频率来选择内壁金层的涂覆厚度。

综上所述，本发明利用多横模共振相互作用机理，提出了一种太赫兹波导可控功能器件结构，实现了从基模到单一高阶模式的高效转换，并通过改变内壁涂覆金层的厚度实现了输出单一高阶模式中心频率的线性可调谐功能。本发明的太赫兹波导可调模式转换器结构简单紧凑，重量轻，易于小型化、集成化，损耗小，转换效率高，调谐范围宽，在太赫兹应用领域具有很高的应用价值和广阔的应用前景。

有必要指出的是，上面的实施例只是用于进一步阐述本发明，而不局限于此。而且，为适应本发明技术的某些场合，构成本发明的可调模式转换器的参数须根据应用的要求来确定，但所采用的技术方案实质仍然与本发明一致，理应在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种太赫兹波可调谐模式转换器，其特征在于：包括至少两个矩形周期起伏结构组成的中空式圆柱状金属内壁波导，中空式圆柱状金属内壁波导的内表面设置有金属层。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波可调谐模式转换器，其特征在于：每个矩形周期的长度是Λ，其中c是真空中光速，n是Bragg共振的阶数，f₀是工作频率，是m阶Bessel函数的零点；

矩形周期起伏参数是ε，ε＝0.1r₀，其中r₀是中空式圆柱状金属内壁波导的平均半径， $r_0=c\·k_r^{(m+1)}/\left(2{\mathrm{\πf}}_0\right).$

3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波可调谐模式转换器，其特征在于：所述金属层的厚度是0-70μm，金属层的材料是金或银或铝。

4.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波可调谐模式转换器，其特征在于：中空式圆柱状金属内壁波导的材料是硅或石英或玻璃或树脂材料或聚合物或陶瓷。

5.根据权利要求3所述的一种太赫兹波可调谐模式转换器，其特征在于：中空式圆柱状金属内壁波导的材料是硅或石英或玻璃或树脂材料或聚合物或陶瓷。