CN105044838A - 可调多通道太赫兹波功分器 - Google Patents

可调多通道太赫兹波功分器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调多通道太赫兹波功分器，它包括二维周期排列的介质柱光子晶体及位于介质柱光子晶体之间的信号输入端，第一、第二、第三、第四、第五、第六信号输出端，镥铋石榴石介质柱，第一、第二光子晶体介质柱，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一光子晶体介质柱阵列，L形光子晶体介质柱阵列，反向L形光子晶体介质柱阵列，第一、第二、第三、第四单模波导，通过施加外加磁场改变镥铋石榴石介质柱折射率，从而控制输入的太赫兹波从功分器的不同通道输出，实现四通道输出或六通道输出。本发明具有结构简单、可调、功分效率高，尺寸小，成本低、易于集成等优点。

Description

可调多通道太赫兹波功分器
技术领域
本发明涉及分束器，尤其涉及一种可调多通道太赫兹波功分器。
背景技术
太赫兹辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，太赫兹辐射的命名来源于它的振荡频率在1THz左右，在电子学领域里，这一频段的电磁波又被称作毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外射线。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏高能量、高效率、室温下稳定运转的太赫兹辐射源以及有效的太赫兹波探测技术，太赫兹技术及应用研究进展非常缓慢，相关的文献报道也屈指可数，太赫兹波段成为宽广的电磁波谱中唯一一块尚未充分开发利用的波段，被科学界称为电磁波谱最后的“太赫兹空隙"。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。
太赫兹波功分器是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波功分器已成为国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波功分器大都存在着结构复杂、功分效率低、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、功分效率高、成本低、尺寸小，具有可调性能的太赫兹波功分器意义重大。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构简单、功分效率高的可调多通道太赫兹波功分器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可调多通道太赫兹波功分器包括二维周期排列的介质柱光子晶体及位于介质柱光子晶体之间的信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端、镥铋石榴石介质柱、第一光子晶体介质柱、第二光子晶体介质柱、第一光子晶体介质柱阵列、第二光子晶体介质柱阵列、第三光子晶体介质柱阵列、第四光子晶体介质柱阵列、第五光子晶体介质柱阵列、第六光子晶体介质柱阵列、第七光子晶体介质柱阵列、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、第四单模波导、第八光子晶体介质柱阵列、第九光子晶体介质柱阵列、L形光子晶体介质柱阵列、反向L形光子晶体介质柱阵列、第十光子晶体介质柱阵列、第十一光子晶体介质柱阵列；太赫兹波功分器本体下部从左到右顺次设有第四光子晶体介质柱阵列、第十光子晶体介质柱阵列、第四单模波导、第十一光子晶体介质柱阵列、第七光子晶体介质柱阵列，太赫兹波功分器本体上部从左到右顺次设有第五光子晶体介质柱阵列、L形光子晶体介质柱阵列、第三单模波导、反向L形光子晶体介质柱阵列、第六光子晶体介质柱阵列，L形光子晶体介质柱阵列右上端设有第八光子晶体介质柱阵列，反向L形光子晶体介质柱阵列左上端设有第九光子晶体介质柱阵列，第三单模波导上端设有第三光子晶体介质柱阵列，第一单模波导左端设有第一光子晶体介质柱阵列，第二单模波导右端设有第二光子晶体介质柱阵列，第四单模波导下端设有信号输入端，第四光子晶体介质柱阵列下端设有第一信号输出端，第七光子晶体介质柱阵列下端设有第二信号输出端，第五光子晶体介质柱阵列上端设有第三信号输出端，第六光子晶体介质柱阵列上端设有第四信号输出端，第八光子晶体介质柱阵列左端设有第五信号输出端，第九光子晶体介质柱阵列右端设有第六信号输出端，第三单模波导下端设有镥铋石榴石介质柱，第一单模波导右端设有第一光子晶体介质柱，第二单模波导左端设有第二光子晶体介质柱，第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导和第四单模波导分别由L形光子晶体介质柱阵列和第十光子晶体介质柱阵列、反向L形光子晶体介质柱阵列和第十一光子晶体介质柱阵列、L形光子晶体介质柱阵列和反向L形光子晶体介质柱阵列、第十光子晶体介质柱阵列和第十一光子晶体介质柱阵列之间的缝隙构成，当不对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时，从信号输入端输入的太赫兹波无法通过镥铋石榴石介质柱传输到第三单模波导，因此输入的太赫兹波从功分器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端等量输出，实现四通道输出，当对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时，改变镥铋石榴石介质柱的折射率，使得从信号输入端输入的太赫兹波可以通过镥铋石榴石介质柱传输到第三单模波导，从而实现太赫兹波功分器同时从六个输出端等量输出，最终实现输出性能的可调功能。
所述的介质柱光子晶体的材料为硅，折射率为3.4，半径为40~42μm。所述的镥铋石榴石介质柱半径为26~28μm，其折射率会随外加磁场强度的改变而变化，当无外加磁场时，其折射率为2.2，当外加磁场强度为19.13T时，其折射率将提升至3.4。所述的第一光子晶体介质柱、第二光子晶体介质柱形状结构相同，半径均为14~15μm。所述的第一光子晶体介质柱阵列、第二光子晶体介质柱阵列、第三光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十九个介质柱光子晶体及一个小光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小光子晶体介质柱半径均14~15μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第四光子晶体介质柱阵列、第七光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第五光子晶体介质柱阵列、第六光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十三个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第八光子晶体介质柱阵列、第九光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由八个尺寸相同的光子晶体介质柱横向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的L形光子晶体介质柱阵列、反向L形光子晶体介质柱阵列、第十光子晶体介质柱阵列和第十一光子晶体介质柱阵列均由介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性排列组成，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
本发明的可调多通道太赫兹波功分器具有结构简单紧凑，功分效率高，尺寸小，体积小，便于制作，可调等优点，满足在太赫兹波成像、医学诊断、太赫兹波通信等领域应用的要求。
附图说明
图1是可调多通道太赫兹波功分器的二维结构示意图；
图2是可调多通道太赫兹波功分器在0.599THz时，未对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时的功分器稳态电场分布图；
图3是可调多通道太赫兹波功分器在0.599THz时，对镥铋石榴石介质柱施加磁场强度为19.13T的外加磁场时的功分器稳态电场分布图；
图4是未对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时可调多通道太赫兹波功分器各个输出端输出功率曲线；
图5是对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时可调多通道太赫兹波功分器第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端输出功率曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种可调多通道太赫兹波功分器包括二维周期排列的介质柱光子晶体11及位于介质柱光子晶体11之间的信号输入端1、第一信号输出端2、第二信号输出端3、第三信号输出端4、第四信号输出端5、第五信号输出端6、第六信号输出端7、镥铋石榴石介质柱8、第一光子晶体介质柱9、第二光子晶体介质柱10、第一光子晶体介质柱阵列12、第二光子晶体介质柱阵列13、第三光子晶体介质柱阵列14、第四光子晶体介质柱阵列15、第五光子晶体介质柱阵列16、第六光子晶体介质柱阵列17、第七光子晶体介质柱阵列18、第一单模波导19、第二单模波导20、第三单模波导21、第四单模波导22、第八光子晶体介质柱阵列23、第九光子晶体介质柱阵列24、L形光子晶体介质柱阵列25、反向L形光子晶体介质柱阵列26、第十光子晶体介质柱阵列27、第十一光子晶体介质柱阵列28；太赫兹波功分器本体下部从左到右顺次设有第四光子晶体介质柱阵列15、第十光子晶体介质柱阵列27、第四单模波导22、第十一光子晶体介质柱阵列28、第七光子晶体介质柱阵列18，太赫兹波功分器本体上部从左到右顺次设有第五光子晶体介质柱阵列16、L形光子晶体介质柱阵列25、第三单模波导21、反向L形光子晶体介质柱阵列26、第六光子晶体介质柱阵列17，L形光子晶体介质柱阵列25右上端设有第八光子晶体介质柱阵列23，反向L形光子晶体介质柱阵列26左上端设有第九光子晶体介质柱阵列24，第三单模波导21上端设有第三光子晶体介质柱阵列14，第一单模波导19左端设有第一光子晶体介质柱阵列12，第二单模波导20右端设有第二光子晶体介质柱阵列13，第四单模波导22下端设有信号输入端1，第四光子晶体介质柱阵列15下端设有第一信号输出端2，第七光子晶体介质柱阵列18下端设有第二信号输出端3，第五光子晶体介质柱阵列16上端设有第三信号输出端4，第六光子晶体介质柱阵列17上端设有第四信号输出端5，第八光子晶体介质柱阵列23左端设有第五信号输出端6，第九光子晶体介质柱阵列24右端设有第六信号输出端7，第三单模波导21下端设有镥铋石榴石介质柱8，第一单模波导19右端设有第一光子晶体介质柱9，第二单模波导20左端设有第二光子晶体介质柱10，第一单模波导19、第二单模波导20、第三单模波导21和第四单模波导22分别由L形光子晶体介质柱阵列25和第十光子晶体介质柱阵列27、反向L形光子晶体介质柱阵列26和第十一光子晶体介质柱阵列28、L形光子晶体介质柱阵列25和反向L形光子晶体介质柱阵列26、第十光子晶体介质柱阵列27和第十一光子晶体介质柱阵列28之间的缝隙构成，当不对镥铋石榴石介质柱8施加外加磁场时，从信号输入端1输入的太赫兹波无法通过镥铋石榴石介质柱8传输到第三单模波导21，因此输入的太赫兹波从功分器的第一信号输出端2、第二信号输出端3、第三信号输出端4、第四信号输出端5等量输出，实现四通道输出，当对镥铋石榴石介质柱8施加外加磁场时，改变镥铋石榴石介质柱8的折射率，使得从信号输入端1输入的太赫兹波可以通过镥铋石榴石介质柱8传输到第三单模波导21，从而实现太赫兹波功分器同时从六个输出端等量输出，最终实现输出性能的可调功能。
所述的介质柱光子晶体11的材料为硅，折射率为3.4，半径为40~42μm。所述的镥铋石榴石介质柱8半径为26~28μm，其折射率会随外加磁场强度的改变而变化，当无外加磁场时，其折射率为2.2，当外加磁场强度为19.13T时，其折射率将提升至3.4。所述的第一光子晶体介质柱9、第二光子晶体介质柱10形状结构相同，半径均为14~15μm。所述的第一光子晶体介质柱阵列12、第二光子晶体介质柱阵列13、第三光子晶体介质柱阵列14形状结构相同，均由十九个介质柱光子晶体11及一个小光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小光子晶体介质柱半径均14~15μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第四光子晶体介质柱阵列15、第七光子晶体介质柱阵列18形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第五光子晶体介质柱阵列16、第六光子晶体介质柱阵列17形状结构相同，均由十三个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的第八光子晶体介质柱阵列23、第九光子晶体介质柱阵列24形状结构相同，均由八个尺寸相同的光子晶体介质柱横向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。所述的L形光子晶体介质柱阵列25、反向L形光子晶体介质柱阵列26、第十光子晶体介质柱阵列27和第十一光子晶体介质柱阵列28均由介质柱光子晶体11沿X-Z平面呈正方周期性排列组成，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
实施例1
介质柱光子晶体的材料为硅，折射率为3.4，半径为40μm。镥铋石榴石介质柱半径为26μm，其折射率会随外加磁场强度的改变而变化，当无外加磁场时，其折射率为2.2，当外加磁场强度为19.13T时，其折射率将提升至3.4。第一光子晶体介质柱、第二光子晶体介质柱形状结构相同，半径均为14μm。第一光子晶体介质柱阵列、第二光子晶体介质柱阵列、第三光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十九个介质柱光子晶体及一个小光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小光子晶体介质柱半径均14μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第四光子晶体介质柱阵列、第七光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第五光子晶体介质柱阵列、第六光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十三个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第八光子晶体介质柱阵列、第九光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由八个尺寸相同的光子晶体介质柱横向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。L形光子晶体介质柱阵列、反向L形光子晶体介质柱阵列、第十光子晶体介质柱阵列和第十一光子晶体介质柱阵列均由介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性排列组成，介质柱圆心之间的距离为200μm。未对镥铋石榴石介质柱施加外加磁场时，输入太赫兹波频率为0.599THz时功分器稳态电场分布图如图2所示，可调多通道太赫兹波功分器的各个输出端输出功率曲线如图4所示，此时各个输出端输出功率为16.3%，总功率为97.8%，对镥铋石榴石介质柱施加磁场强度为19.13T的外加磁场时，输入太赫兹波频率为0.599THz时功分器稳态电场分布图如图3所示，可调多通道太赫兹波功分器第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端输出功率曲线如图5所示，此时第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端输出功率为24.2%，总功率为96.8%。

Claims (9)

1.一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于包括二维周期排列的介质柱光子晶体（11）及位于介质柱光子晶体（11）之间的信号输入端（1）、第一信号输出端（2）、第二信号输出端（3）、第三信号输出端（4）、第四信号输出端（5）、第五信号输出端（6）、第六信号输出端（7）、镥铋石榴石介质柱（8）、第一光子晶体介质柱（9）、第二光子晶体介质柱（10）、第一光子晶体介质柱阵列（12）、第二光子晶体介质柱阵列（13）、第三光子晶体介质柱阵列（14）、第四光子晶体介质柱阵列（15）、第五光子晶体介质柱阵列（16）、第六光子晶体介质柱阵列（17）、第七光子晶体介质柱阵列（18）、第一单模波导（19）、第二单模波导（20）、第三单模波导（21）、第四单模波导（22）、第八光子晶体介质柱阵列（23）、第九光子晶体介质柱阵列（24）、L形光子晶体介质柱阵列（25）、反向L形光子晶体介质柱阵列（26）、第十光子晶体介质柱阵列（27）、第十一光子晶体介质柱阵列（28）；太赫兹波功分器本体下部从左到右顺次设有第四光子晶体介质柱阵列（15）、第十光子晶体介质柱阵列（27）、第四单模波导（22）、第十一光子晶体介质柱阵列（28）、第七光子晶体介质柱阵列（18），太赫兹波功分器本体上部从左到右顺次设有第五光子晶体介质柱阵列（16）、L形光子晶体介质柱阵列（25）、第三单模波导（21）、反向L形光子晶体介质柱阵列（26）、第六光子晶体介质柱阵列（17），L形光子晶体介质柱阵列（25）右上端设有第八光子晶体介质柱阵列（23），反向L形光子晶体介质柱阵列（26）左上端设有第九光子晶体介质柱阵列（24），第三单模波导（21）上端设有第三光子晶体介质柱阵列（14），第一单模波导（19）左端设有第一光子晶体介质柱阵列（12），第二单模波导（20）右端设有第二光子晶体介质柱阵列（13），第四单模波导（22）下端设有信号输入端（1），第四光子晶体介质柱阵列（15）下端设有第一信号输出端（2），第七光子晶体介质柱阵列（18）下端设有第二信号输出端（3），第五光子晶体介质柱阵列（16）上端设有第三信号输出端（4），第六光子晶体介质柱阵列（17）上端设有第四信号输出端（5），第八光子晶体介质柱阵列（23）左端设有第五信号输出端（6），第九光子晶体介质柱阵列（24）右端设有第六信号输出端（7），第三单模波导（21）下端设有镥铋石榴石介质柱（8），第一单模波导（19）右端设有第一光子晶体介质柱（9），第二单模波导（20）左端设有第二光子晶体介质柱（10），第一单模波导（19）、第二单模波导（20）、第三单模波导（21）和第四单模波导（22）分别由L形光子晶体介质柱阵列（25）和第十光子晶体介质柱阵列（27）、反向L形光子晶体介质柱阵列（26）和第十一光子晶体介质柱阵列（28）、L形光子晶体介质柱阵列（25）和反向L形光子晶体介质柱阵列（26）、第十光子晶体介质柱阵列（27）和第十一光子晶体介质柱阵列（28）之间的缝隙构成，当不对镥铋石榴石介质柱（8）施加外加磁场时，从信号输入端（1）输入的太赫兹波无法通过镥铋石榴石介质柱（8）传输到第三单模波导（21），因此输入的太赫兹波从功分器的第一信号输出端（2）、第二信号输出端（3）、第三信号输出端（4）、第四信号输出端（5）等量输出，实现四通道输出，当对镥铋石榴石介质柱（8）施加外加磁场时，改变镥铋石榴石介质柱（8）的折射率，使得从信号输入端（1）输入的太赫兹波可以通过镥铋石榴石介质柱（8）传输到第三单模波导（21），从而实现太赫兹波功分器同时从六个输出端等量输出，最终实现输出性能的可调功能。
2.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的介质柱光子晶体（11）的材料为硅，折射率为3.4，半径为40~42μm。
3.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的镥铋石榴石介质柱（8）半径为26~28μm，其折射率会随外加磁场强度的改变而变化，当无外加磁场时，其折射率为2.2，当外加磁场强度为19.13T时，其折射率将提升至3.4。
4.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的第一光子晶体介质柱（9）、第二光子晶体介质柱（10）形状结构相同，半径均为14~15μm。
5.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的第一光子晶体介质柱阵列（12）、第二光子晶体介质柱阵列（13）、第三光子晶体介质柱阵列（14）形状结构相同，均由十九个介质柱光子晶体（11）及一个小光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小光子晶体介质柱半径均14~15μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
6.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的第四光子晶体介质柱阵列（15）、第七光子晶体介质柱阵列（18）形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
7.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的第五光子晶体介质柱阵列（16）、第六光子晶体介质柱阵列（17）形状结构相同，均由十三个尺寸相同的光子晶体介质柱纵向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
8.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的第八光子晶体介质柱阵列（23）、第九光子晶体介质柱阵列（24）形状结构相同，均由八个尺寸相同的光子晶体介质柱横向排列组成，每个光子晶体介质柱的半径均为18~20μm，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
9.根据权利要求1所述的一种可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的L形光子晶体介质柱阵列（25）、反向L形光子晶体介质柱阵列（26）、第十光子晶体介质柱阵列（27）和第十一光子晶体介质柱阵列（28）均由介质柱光子晶体（11）沿X-Z平面呈正方周期性排列组成，介质柱圆心之间的距离为200~202μm。
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