CN105044841A - 基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，它包括二维周期排列的第一介质柱光子晶体和第二介质柱光子晶体，以及位于第一介质柱光子晶体和第二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、第一椭圆光子晶体介质柱阵列、第二椭圆光子晶体介质柱阵列、第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱、第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第三光子晶体阵列、第四光子晶体阵列，信号从信号输入端输入，第一信号输出端输出TM波，第二信号输出端输出TE波，获得偏振分束性能。本发明具有结构简单、可调、分束率高，尺寸小，成本低、易于集成等优点。

Description

基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器
技术领域
本发明涉及分束器，尤其涉及一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器。
背景技术
近年来，在电磁波谱上介于发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域。太赫兹波频率0.1~10THz，波长为30μm~3mm。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。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。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。高效的太赫兹辐射源和成熟的检测技术是推动太赫兹技术科学发展和应用的首要条件，但太赫兹技术的广泛应用离不开满足不同应用领域要求的实用化功能器件的支撑。在太赫兹通信、多谱成像、物理、化学等众多应用系统中，对太赫兹波导、开关、偏振分束器、滤波及功分等功能器件的需求是迫切的。
太赫兹波偏振分束器是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波偏振分束器已成为国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波偏振分束器大都存在着结构复杂、偏振分束效率低、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、偏振分束效率高、成本低、尺寸小，具有可调性能的太赫兹波偏振分束器意义重大。
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、偏振分束效率高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：
一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器包括二维周期排列的第一介质柱光子晶体和第二介质柱光子晶体，以及位于二维周期排列的第一介质柱光子晶体和第二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、椭圆光子晶体介质柱、第一椭圆光子晶体介质柱阵列、第二椭圆光子晶体介质柱阵列、第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱、第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第三光子晶体阵列、第四光子晶体阵列，分束器本体中心设有第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱，第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱之间纵向设有一排第一介质柱光子晶体和第二介质柱光子晶体，第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱上、下方分别横向设有第一椭圆光子晶体介质柱阵列、第二椭圆光子晶体介质柱阵列，第一椭圆光子晶体介质柱阵列上、下方分别横向设有第三光子晶体阵列、第四光子晶体阵列，第二椭圆光子晶体介质柱阵列上、下方分别横向设有第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列，第一椭圆光子晶体介质柱阵列左端设有信号输入端，右端设有第一信号输出端，第二椭圆光子晶体介质柱阵列右端设有第二信号输出端，信号从信号输入端输入，第一信号输出端输出TM波，第二信号输出端输出TE波，获得偏振分束性能。
所述的第一介质柱光子晶体与第二介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正三角周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.4，介质柱圆心之间的间距153~154μm，第一介质柱光子晶体半径为22~23μm，第二介质柱光子晶体半径为40~42μm。所述的第一椭圆光子晶体介质柱阵列、第二椭圆光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十个椭圆光子晶体介质柱并排组成，椭圆光子晶体介质柱短轴长度为28~30μm，长轴长度为50~52μm，椭圆光子晶体介质柱几何中心之间的距离为264~266μm。所述的第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱形状结构相同，半径均为115~117μm。所述的第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第三光子晶体阵列、第四光子晶体阵列形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱组成，每个光子晶体介质柱的半径均为22~23μm，光子晶体介质柱圆心之间的距离均为264~266μm。
本发明的基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器具有结构简单紧凑，偏振分束效率高，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是基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器的二维结构示意图；
图2是基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器输入频率为1.1THz时，输入太赫兹波为TM波时的稳态电场分布图；
图3是基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器输入频率为1.1THz时，输入太赫兹波为TE波时的稳态电场分布图；
图4是基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器第一信号输出端输出功率曲线；
图5是基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器第二信号输出端输出功率曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器包括二维周期排列的第一介质柱光子晶体10和第二介质柱光子晶体9，以及位于二维周期排列的第一介质柱光子晶体10和第二介质柱光子晶体9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、椭圆光子晶体介质柱8、第一椭圆光子晶体介质柱阵列4、第二椭圆光子晶体介质柱阵列5、第一耦合光子晶体介质柱6、第二耦合光子晶体介质柱7、第一光子晶体阵列11、第二光子晶体阵列12、第三光子晶体阵列13、第四光子晶体阵列14，分束器本体中心设有第一耦合光子晶体介质柱6、第二耦合光子晶体介质柱7，第一耦合光子晶体介质柱6、第二耦合光子晶体介质柱7之间纵向设有一排第一介质柱光子晶体10和第二介质柱光子晶体9，第一耦合光子晶体介质柱6、第二耦合光子晶体介质柱7上、下方分别横向设有第一椭圆光子晶体介质柱阵列4、第二椭圆光子晶体介质柱阵列5，第一椭圆光子晶体介质柱阵列4上、下方分别横向设有第三光子晶体阵列13、第四光子晶体阵列14，第二椭圆光子晶体介质柱阵列5上、下方分别横向设有第一光子晶体阵列11、第二光子晶体阵列12，第一椭圆光子晶体介质柱阵列4左端设有信号输入端1，右端设有第一信号输出端2，第二椭圆光子晶体介质柱阵列5右端设有第二信号输出端3，信号从信号输入端1输入，第一信号输出端2输出TM波，第二信号输出端3输出TE波，获得偏振分束性能。
所述的第一介质柱光子晶体10与第二介质柱光子晶体9沿X-Z平面呈正三角周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.4，介质柱圆心之间的间距153~154μm，第一介质柱光子晶体10半径为22~23μm，第二介质柱光子晶体9半径为40~42μm。所述的第一椭圆光子晶体介质柱阵列4、第二椭圆光子晶体介质柱阵列5形状结构相同，均由十个椭圆光子晶体介质柱8并排组成，椭圆光子晶体介质柱8短轴长度为28~30μm，长轴长度为50~52μm，椭圆光子晶体介质柱几何中心之间的距离为264~266μm。所述的第一耦合光子晶体介质柱6、第二耦合光子晶体介质柱7形状结构相同，半径均为115~117μm。所述的第一光子晶体阵列11、第二光子晶体阵列12、第三光子晶体阵列13、第四光子晶体阵列14形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱组成，每个光子晶体介质柱的半径均为22~23μm，光子晶体介质柱圆心之间的距离均为264~266μm。
实施例1
第一介质柱光子晶体与第二介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正三角周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.4，介质柱圆心之间的间距153μm，第一介质柱光子晶体半径为22μm，第二介质柱光子晶体半径为40μm。第一椭圆光子晶体介质柱阵列、第二椭圆光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由十个椭圆光子晶体介质柱并排组成，椭圆光子晶体介质柱短轴长度为28μm，长轴长度为50μm，椭圆光子晶体介质柱几何中心之间的距离为265μm。第一耦合光子晶体介质柱、第二耦合光子晶体介质柱形状结构相同，半径均为115μm。第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第三光子晶体阵列、第四光子晶体阵列形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱组成，每个光子晶体介质柱的半径均为22μm，光子晶体介质柱圆心之间的距离均为265μm。输入太赫兹波频率为1.11THz时且输入太赫兹波为TM波时的稳态电场分布图如图2所示，输入太赫兹波频率为1.11THz时且输入太赫兹波为TE波时的稳态电场分布图如图3所示，基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器的第一信号输出端的TM波、TE波功率曲线如图4所示，在0.7~1.7THz频段范围内TM波最大输出功率为-0.9dB，TE波的最小传输功率为-32.5dB；基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器的第二信号输出端的TE波、TM波功率曲线如图5所示，在0.7~1.7THz频段TE波最大输出功率为-0.8dB，TM波最小输出功率为-37.2dB。这说明第一信号输出端输出是TM波，而第二信号输出端输出的是TE波，实现了偏振分束功能。

Claims (5)

1.一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于包括二维周期排列的第一介质柱光子晶体（10）和第二介质柱光子晶体（9），以及位于二维周期排列的第一介质柱光子晶体（10）和第二介质柱光子晶体（9）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）、椭圆光子晶体介质柱（8）、第一椭圆光子晶体介质柱阵列（4）、第二椭圆光子晶体介质柱阵列（5）、第一耦合光子晶体介质柱（6）、第二耦合光子晶体介质柱（7）、第一光子晶体阵列（11）、第二光子晶体阵列（12）、第三光子晶体阵列（13）、第四光子晶体阵列（14），分束器本体中心设有第一耦合光子晶体介质柱（6）、第二耦合光子晶体介质柱（7），第一耦合光子晶体介质柱（6）、第二耦合光子晶体介质柱（7）之间纵向设有一排第一介质柱光子晶体（10）和第二介质柱光子晶体（9），第一耦合光子晶体介质柱（6）、第二耦合光子晶体介质柱（7）上、下方分别横向设有第一椭圆光子晶体介质柱阵列（4）、第二椭圆光子晶体介质柱阵列（5），第一椭圆光子晶体介质柱阵列（4）上、下方分别横向设有第三光子晶体阵列（13）、第四光子晶体阵列（14），第二椭圆光子晶体介质柱阵列（5）上、下方分别横向设有第一光子晶体阵列（11）、第二光子晶体阵列（12），第一椭圆光子晶体介质柱阵列（4）左端设有信号输入端（1），右端设有第一信号输出端（2），第二椭圆光子晶体介质柱阵列（5）右端设有第二信号输出端（3），信号从信号输入端（1）输入，第一信号输出端（2）输出TM波，第二信号输出端（3）输出TE波，获得偏振分束性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的第一介质柱光子晶体（10）与第二介质柱光子晶体（9）沿X-Z平面呈正三角周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.4，介质柱圆心之间的间距153~154μm，第一介质柱光子晶体（10）半径为22~23μm，第二介质柱光子晶体（9）半径为40~42μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的第一椭圆光子晶体介质柱阵列（4）、第二椭圆光子晶体介质柱阵列（5）形状结构相同，均由十个椭圆光子晶体介质柱（8）并排组成，椭圆光子晶体介质柱（8）短轴长度为28~30μm，长轴长度为50~52μm，椭圆光子晶体介质柱几何中心之间的距离为264~266μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的第一耦合光子晶体介质柱（6）、第二耦合光子晶体介质柱（7）形状结构相同，半径均为115~117μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于多种介质柱结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的第一光子晶体阵列（11）、第二光子晶体阵列（12）、第三光子晶体阵列（13）、第四光子晶体阵列（14）形状结构相同，均由十个尺寸相同的光子晶体介质柱组成，每个光子晶体介质柱的半径均为22~23μm，光子晶体介质柱圆心之间的距离均为264~266μm。
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