CN105070996A - 基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，它包括一个圆形腔和两条波导。圆形腔为半导体材料，位于两条波导之间。两条波导为金属或介质波导，其终端构成四个端口。在外加垂直磁场作用下，磁等离子激元沿圆形腔的圆周做单向环行。利用这种单向性，任意波导端口输入的太赫兹波沿顺时针或逆时针到相邻的波导端口输出，构成环行器。此环行器结构简单、尺寸紧凑、功能优良，可隔离反射波，保护太赫兹波源，实现太赫兹波信号的接受及发射的双工工作，满足未来太赫兹波通信技术应用的需要。

Description

基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器
技术领域
本发明是一种四端口太赫兹波环形器，采用磁等离子激元的单向腔来实现，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
太赫兹波是位于毫米波与红外线之间，频谱范围为0.1THz～10THz的电磁波。由于其位于电子学与光子学之间的特殊区域，太赫兹波在成像技术、物性鉴定、无线通讯等领域具有全新而广阔的应用。随着通信领域的迅猛发展，低频电磁波资源已经耗尽，高频的太赫兹波技术成为实现高速率、超带宽、高集成的通信器件的必然选择。
环行器是实现电磁波非互易传输的器件，是对反向传输电磁波进行引导，将其与正向传输电磁波从空间上分离开来，并从另一端口输出的器件。这一特性对于隔离反向电磁波和实现接收和发射的双工工作，具有重要意义。
在太赫波的实际应用中，为保护太赫兹波源不受反射波的损害，有必要隔离反射的电磁波。同时，为了实现太赫兹波信号的接受及发射的双工工作，也有必要使用环行器。然而太赫兹波的环行器还没有解决方案，因此需要一种结构简单、尺寸紧凑、功能优良的太赫兹波环行器来满足未来太赫兹波通信技术应用的需要。
一种可行的解决方案是利用太赫兹波段磁等离子激元的单向性。在太赫兹波段，当我们对半导体施加一定强度和方向的磁场时，磁等离子激元存在于半导体表面。在一定频率范围内，这种磁等离子激元的传播方向是单向的。这种单向性使得它适合于实现包括环行器在内的非互易器件。
专利CN102244334B公开了基于超声光栅移频和循环移频的宽带调谐太赫兹波发生器”其包括激光器、环行器、光束分离器、基于超声光栅移频的循环移频环节、光束合成器、光隔离器及带太赫兹辐射天线的光电转换器，所述激光器输出的光经过环行器后被光束分离器分为第一路和第二路，第一路为参考光，第二路输入到所述循环移频环节后产生循环移频光，光束合成器中将所述参考光和循环移频光叠加后产生太赫兹频率范围内的拍频光，所述拍频光经光隔离器后再经带太赫兹辐射天线的光电转换器接收并辐射出相干太赫兹波。
上述发明的发明目的是实现
激光器输出的光经过环形器还需要经过光束分离器进行分离并且在环形器的其中一个端口连接吸收负载吸收反射光，其结构比较复杂、成本高，并且吸收和分离的效果剩余的干扰比较大。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明为了解决现有技术中存在的结构复杂，成本较高的问题，而提供了一种基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环形器。
2、本发明所采用的技术方案。
基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，包括一个圆形腔、第一波导、第二波导，第一波导和第二波导平行，圆形腔位于第一波导和第二波导之间，第一波导的端口为P1、P2，第二波导的端口为P3、P4；外加磁场垂直于圆形腔的表面，通过改变外加磁场的方向改变圆形腔中的磁等离子激元单向环行传播的方向，从第一波导和第二波导的各端口传输进来的太赫兹波的方向与圆形腔的磁等离子激元的耦合情况决定太赫兹波的输出端口。
所述的圆形腔（1）为半导体材料。
所述的圆形腔（1）半导体材料包括InSb、、GaAs、InAs及n掺杂或p掺杂的Si。
所述的圆形腔（1）为平面结构，利用标准光刻技术或者激光直写方式，在所述半导体材料上加工而成。
所述的通过改变外加磁场的方向改变圆形腔（1）中的磁等离子激元单向环行传播，单向环形传播为顺时针或逆时针方向。
所述的从第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元的耦合情况决定太赫兹波的输出端口具体如下：
如果第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元耦合则从另一波导的同侧端口输出；如果第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元不耦合则从同一波导的另一端口输出。
所述第一波导（2）和第二波导（3）为金属波导或者介质波导，支持太赫兹波在其中传播。
3、本发明的有益效果。
本发明的环行器结构简单、尺寸在工作波长量级，十分紧凑。此环形器性能优良，隔离效果在20dB以上，可隔离反射波，保护太赫兹波源，实现太赫兹波信号的接受及发射的双工工作，满足未来太赫兹波通信技术应用的需要
附图说明
图1是本发明基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环形器的结构示意图。
图2是本发明四端口太赫兹波环行器在1.812THz由各个端口输入时的磁场强度分布图。
图3是本发明四端口太赫兹波环行器在1.8THz至1.82THz频段的S参数。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例
如图1所示，本发明是基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环形器，包括一个圆形腔1和两条波导2、3，两条波导2、3平行设置，圆形腔1设置在波导2、3之间。
图1所示的圆形腔1为半导体材料，可以是InSb、GaAs、InAs及n掺杂或p掺杂的Si。圆形腔1为平面结构，其直径在工作波长量级，可以利用标准光刻技术或者激光直写技术，在所述半导体材料上加工而成。
在太赫兹波段，在外加磁场下，所述半导体材料的相对介电张量满足下式描述
其中是高频介电常数，是电磁波的角频率，是半导体的等离子频率，是回旋频率。e是电子电量，m*是等效质量，B是外加磁场强度。
具体对于半导体材料InSb，在300卡尔文下，=15.6，f p ==2THz；在B=0.1特斯拉下，f c ==0.2THz。在f=1.8THz至1.82THz，所述InSb材料制作的圆形腔1支持单向磁等离子激元。
当外加磁场的方向垂直于圆形腔1的表面，所述磁等离子激元沿所述圆形腔1的圆周做单向环行传播。通过改变外加磁场的方向，磁等离子激元的环行方向在顺时针和逆时针方向之间切换。
图1所示的波导2、3为金属波导或者介质波导，支持太赫兹波在其中传播。波导2的两个终端构两个端口P1、P2；波导3的两个终端构成两个端口P3、P4。
图2所示为本发明四端口太赫兹波环行器在各个端口输入时的磁场强度，可清楚的展现其工作原理。具体来说，圆形腔为半径为250um的InSb材料；外加磁场垂直纸面向内，强度为0.1特斯拉；工作频率1.812THz；单向磁等离子激元沿圆形腔的圆周做逆时针传播。由P1、P2、P3、P4端口输入的太赫兹波，其传播情况分别展示在图2的(a)(b)(c)(d)。
如图2(a)所示，由P1输入的太赫兹波，由于与单向磁等离子激元波矢方向相反，不能发生耦合，直接传播到P2输出。如图2(b)所示，由P2输入的太赫兹波，由于与单向磁等离子激元波矢匹配，可以发生耦合；磁等离子激元逆时针传播，与另一条波导耦合，太赫兹波在P3口输出。同理，由P3口输入的太赫兹波，在P4口输出，如图2(c)所示；由P4口输入的太赫兹波，在P1口输出，如图2(d)所示。综上，在本发明所述四端口太赫兹波环行器中，任意波导端口输入的太赫兹波沿顺时针到相邻的波导端口输出。
图3所示为本发明所述四端口太赫兹波环行器在1.8THz至1.82THz频段的S参数。实线为传输系数S21，虚线为隔离系数S12。传输系数接近0dB，表明传输损耗很小。隔离系数有三个极小值，对应于圆行腔的三个谐振模式,其频率分布为1.804THz，1.812THz，1.818THz。在此谐振频率，隔离系数小于-20dB，表明本发明具有出色的隔离效果。

Claims (7)

1.一种基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：包括一个圆形腔（1）、第一波导（2）、第二波导（3），第一波导（2）和第二波导（3）平行，圆形腔（1）位于第一波导（2）和第二波导（3）之间，第一波导（2）的端口为P1、P2，第二波导（3）的端口为P3、P4；外加磁场垂直于圆形腔（1）的表面，通过改变外加磁场的方向改变圆形腔（1）中的磁等离子激元单向环行传播的方向，从第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波的方向与圆形腔（1）的磁等离子激元的耦合情况决定太赫兹波的输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：圆形腔（1）为半导体材料。
3.根据权利要求2所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：所述的圆形腔（1）半导体材料包括InSb、GaAs、InAs及n掺杂或p掺杂的Si。
4.根据权利要求2或3所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：圆形腔（1）为平面结构，利用标准光刻技术或者激光直写方式，在所述半导体材料上加工而成。
5.根据权利要求1所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：通过改变外加磁场的方向改变圆形腔（1）中的磁等离子单向环行传播，单向环形传播为顺时针或逆时针方向。
6.根据权利要求1或5所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：所述的从第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元的耦合情况决定太赫兹波的输出端口具体如下：
如果第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元耦合则从另一波导的同侧端口输出；如果第一波导（2）和第二波导（3）的各端口传输进来的太赫兹波与圆形腔（1）的磁等离子激元不耦合则从同一波导的另一端口输出。
7.根据权利要求1所述的基于磁等离子激元单向腔的四端口太赫兹波环行器，其特征在于：所述第一波导（2）和第二波导（3）为金属波导或者介质波导，支持太赫兹波在其中传播。
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