CN105334574B - 基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，它包括孔状镂空平板、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、第一折线波导、第二折线波导、第一直线波导、第二直线波导、第三直线波导、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔，经过谐振腔的耦合，第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端分别能输出输入信号中特定频率的太赫兹波信号，其他频率的信号将从第五信号输出端输出。本发明具有结构简单、尺寸小、易于集成等优点。
Description
技术领域
本发明涉及分束器，尤其涉及一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器。
背景技术
太赫兹波谱位于微波和红外辐射之间。在电子学领域，这一频段的电磁波又被称为毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外辐射。一般所谓的太赫兹波段，其频率范围为0.1～10THz。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的THz辐射产生方法和检测方法，人们对该波段的特性知之甚少，以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。THz波介于微波与远红外光之间，它集成了微波通信与光通信的优点，相比较于微波通信而言：THz通信传输的容量大，可提供高达10Gb/s的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍；THz波束更窄，方向性更好，可以探测更小的目标以及更精确地定位；THz波具有更好的保密性及抗干扰能力。相比较于光通信而言：THz波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作，特别适合局域网的宽带移动通讯。目前，国际上关于太赫兹波的研究机构大量涌现，并取得了很多研究成果，太赫兹技术仍将是未来很长一段时间世界范围内广泛研究的热点。
太赫兹波分路器是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波分路器已成为国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波分路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、分路效率高、成本低、尺寸小的太赫兹波分路器意义重大。
发明内容
本发明提供一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，技术方案如下：
基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，包括孔状镂空平板、空气孔、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、第一折线波导、第一直线波导、第二直线波导、第三直线波导、第二折线波导、第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组合、第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔；在去除部分二维周期排列的空气孔后，孔状镂空平板上形成了第一折线波导、第一直线波导、第二直线波导、第三直线波导、第二折线波导；
第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔均由24个呈等边三角形分布的半径较大的空气孔和6个在谐振腔中心呈正六边形的分布的半径较小的空气孔构成；第一折线波导的左端设有第一信号输出端，第一直线波导的左端设有第二信号输出端，第二直线波导的左端设有信号输入端，第二直线波导的右端设有第五信号输出端，第三直线波导的左端设有第三信号输出端，第二折线波导的左端设有第四信号输出端，第一谐振腔位于第一直线波导与第二直线波导之间，第二谐振腔位于第二直线波导与第三直线波导之间，第三谐振腔位于第一折线波导与第二直线波导之间，第四谐振腔位于第二直线波导与第二折线波导之间，第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组合均由4个空气孔呈120°角分布，且相邻的两个空气孔之间的间距相同；孔状镂空平板的其余部位设有呈等边三角形周期排列的空气孔；不同谐振腔中空气孔的半径和相邻的空气孔之间的间距均不相等，由此实现不同谐振腔谐振频率的不同，进而实现分路器的功能。
所述的孔状镂空平板的材料为砷化镓，折射率为3.24。所述的其余部位设有的呈等边三角形周期排列的空气孔半径为27μm～29μm，空气孔圆心之间的距离为79μm～81μm。所述的第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组合中相邻两个空气孔圆心之间的距离为64μm～66μm。所述的第一谐振腔中半径较大的空气孔的半径为27μm～29μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为79μm～81μm，半径较小的空气孔的半径为20μm～21μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为65μm～66μm。所述的第二谐振腔中半径较大的空气孔的半径为31μm～32μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为89μm～91μm，半径较小的空气孔的半径为23μm～24μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为73μm～74μm。所述的第三谐振腔中半径较大的空气孔的半径为34μm～36μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为99μm～101μm，半径较小的空气孔的半径为25μm～27μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为81μm～83μm。所述的第四谐振腔中半径较大的空气孔的半径为38μm～39μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为109μm～111μm，半径较小的空气孔的半径为28μm～29μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为90μm～91μm。
本发明具有结构简单、可调、性能高，尺寸小，成本低、易于集成等优点。
附图说明
图1是基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器的二维结构示意图；
图2是第四信号输出端的输出功率图；
图3是第三信号输出端的输出功率图；
图4是第二信号输出端的输出功率图；
图5是第一信号输出端的输出功率图。
具体实施方式
如图1所示，基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，包括孔状镂空平板1、空气孔2、信号输入端3、第一信号输出端4、第二信号输出端5、第三信号输出端6、第四信号输出端7、第五信号输出端8、第一折线波导9、第一直线波导10、第二直线波导11、第三直线波导12、第二折线波导13、第一空气孔组合14、第二空气孔组合15、第三空气孔组合16、第四空气孔组合17、第一谐振腔18、第二谐振腔19、第三谐振腔20、第四谐振腔21；在去除部分二维周期排列的空气孔2后，孔状镂空平板1上形成了第一折线波导9、第一直线波导10、第二直线波导11、第三直线波导12、第二折线波导13；
第一谐振腔18、第二谐振腔19、第三谐振腔20、第四谐振腔21均由24个呈等边三角形分布的半径较大的空气孔和6个在谐振腔中心呈正六边形的分布的半径较小的空气孔构成；第一折线波导9的左端设有第一信号输出端4，第一直线波导10的左端设有第二信号输出端5，第二直线波导11的左端设有信号输入端3，第二直线波导11的右端设有第五信号输出端8，第三直线波导12的左端设有第三信号输出端6，第二折线波导13的左端设有第四信号输出端7，第一谐振腔18位于第一直线波导10与第二直线波导11之间，第二谐振腔19位于第二直线波导11与第三直线波导12之间，第三谐振腔20位于第一折线波导9与第二直线波导11之间，第四谐振腔21位于第二直线波导11与第二折线波导13之间，第一空气孔组合14、第二空气孔组合15、第三空气孔组合16、第四空气孔组合17均由4个空气孔2呈120°角分布，且相邻的两个空气孔2之间的间距相同；孔状镂空平板1的其余部位设有呈等边三角形周期排列的空气孔2；不同谐振腔中空气孔的半径和相邻的空气孔之间的间距均不相等，由此实现不同谐振腔谐振频率的不同，进而实现分路器的功能。
所述的孔状镂空平板1的材料为砷化镓，折射率为3.24。所述的其余部位设有的呈等边三角形周期排列的空气孔2半径为27μm～29μm，空气孔2圆心之间的距离为79μm～81μm。所述的第一空气孔组合14、第二空气孔组合15、第三空气孔组合16、第四空气孔组合17中相邻两个空气孔2圆心之间的距离为64μm～66μm。所述的第一谐振腔18中半径较大的空气孔的半径为27μm～29μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为79μm～81μm，半径较小的空气孔的半径为20μm～21μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为65μm～66μm。所述的第二谐振腔19中半径较大的空气孔的半径为31μm～32μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为89μm～91μm，半径较小的空气孔的半径为23μm～24μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为73μm～74μm。所述的第三谐振腔20中半径较大的空气孔的半径为34μm～36μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为99μm～101μm，半径较小的空气孔的半径为25μm～27μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为81μm～83μm。所述的第四谐振腔21中半径较大的空气孔的半径为38μm～39μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为109μm～111μm，半径较小的空气孔的半径为28μm～29μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为90μm～91μm。
实施例1
基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器：
孔状镂空平板的材料为砷化镓，折射率为3.24。孔状镂空平板中设有呈等边三角形周期排列的空气孔的半径为28μm，空气孔圆心之间的距离为80μm。空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组合中相邻两个空气孔圆心之间的距离为65μm。第一谐振腔中半径较大的空气孔的半径为28μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为80μm，半径较小的空气孔的半径为20.8μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为65.6μm。第二谐振腔中半径较大的空气孔的半径为31.5μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为90μm，半径较小的空气孔的半径为23.4μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为73.8μm。第三谐振腔中半径较大的空气孔的半径为35μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为100μm，半径较小的空气孔的半径为26μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为82μm。第四谐振腔中半径较大的空气孔的半径为38.5μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为110μm，半径较小的空气孔的半径为28.6μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为90.2μm。基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器的性能由Rsoft软件进行测试，在信号输入端输入频率范围为0.7THz～1.2THz的信号时，图2为第四信号输出端的输出功率图，图3为第三信号输出端的输出功率图，图4为第二信号输出端的输出功率图，图5为第一信号输出端的输出功率图，可以看出，第一信号输出端仅能输出频率为1.17THz的太赫兹波信号，第二信号输出端仅能输出频率为1.04THz的太赫兹波信号，第三信号输出端仅能输出频率为0.94THz的太赫兹波信号，第四信号输出端仅能输出频率为0.86THz的太赫兹波信号，可以看出所提出的基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器较好地实现了分路器的功能。
Claims (8)
1.一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的分路器由孔状镂空平板（1）构成，孔状镂空平板（1）包括、空气孔（2）、信号输入端（3）、第一信号输出端（4）、第二信号输出端（5）、第三信号输出端（6）、第四信号输出端（7）、第五信号输出端（8）、第一折线波导（9）、第一直线波导（10）、第二直线波导（11）、第三直线波导（12）、第二折线波导（13）、第一空气孔组合（14）、第二空气孔组合（15）、第三空气孔组合（16）、第四空气孔组合（17）、第一谐振腔（18）、第二谐振腔（19）、第三谐振腔（20）、第四谐振腔（21）；在去除部分二维周期排列的空气孔（2）后，孔状镂空平板（1）上形成了第一折线波导（9）、第一直线波导（10）、第二直线波导（11）、第三直线波导（12）、第二折线波导（13）;
第一谐振腔（18）、第二谐振腔（19）、第三谐振腔（20）、第四谐振腔（21）均由24个呈等边三角形分布的半径较大的空气孔和6个在谐振腔中心呈正六边形分布的半径较小的空气孔构成；第一折线波导（9）的左端设有第一信号输出端（4），第一直线波导（10）的左端设有第二信号输出端（5），第二直线波导（11）的左端设有信号输入端（3），第二直线波导（11）的右端设有第五信号输出端（8），第三直线波导（12）的左端设有第三信号输出端（6），第二折线波导（13）的左端设有第四信号输出端（7），第一谐振腔（18）位于第一直线波导（10）与第二直线波导（11）之间，第二谐振腔（19）位于第二直线波导（11）与第三直线波导（12）之间，第三谐振腔（20）位于第一折线波导（9）与第二直线波导（11）之间，第四谐振腔（21）位于第二直线波导（11）与第二折线波导（13）之间，第一空气孔组合（14）、第二空气孔组合（15）、第三空气孔组合（16）、第四空气孔组合（17）均由4个空气孔（2）呈120°角分布，且相邻的两个空气孔（2）之间的间距相同；孔状镂空平板（1）的其余部位设有呈等边三角形周期排列的空气孔（2）;不同谐振腔中空气孔的半径和相邻的空气孔之间的间距均不相等，由此实现不同谐振腔谐振频率的不同，进而实现分路器的功能。
2.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的孔状镂空平板（1）的材料为砷化镓，折射率为3.24。
3.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的其余部位设有的呈等边三角形周期排列的空气孔（2）半径为27μm ~29μm，空气孔（2）圆心之间的距离为79μm ~81μm。
4.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的第一空气孔组合（14）、第二空气孔组合（15）、第三空气孔组合（16）、第四空气孔组合（17）中相邻两个空气孔（2）圆心之间的距离为64μm ~66μm。
5. 如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的第一谐振腔（18）中半径较大的空气孔的半径为27μm ~29μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为79μm ~81μm，半径较小的空气孔的半径为20μm ~21μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为65μm ~66μm。
6.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的第二谐振腔（19）中半径较大的空气孔的半径为31μm ~32μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为89μm ~91μm，半径较小的空气孔的半径为23μm ~24μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为73μm ~74μm。
7.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的第三谐振腔（20）中半径较大的空气孔的半径为34μm ~36μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为99μm ~101μm，半径较小的空气孔的半径为25μm ~27μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为81μm ~83μm。
8.如权利要求1所述的一种基于孔状镂空结构的太赫兹波分路器，其特征在于所述的第四谐振腔（21）中半径较大的空气孔的半径为38μm ~39μm，相邻两个半径较大的空气孔之间圆心的距离为109μm ~111μm，半径较小的空气孔的半径为28μm ~29μm，半径较小的空气孔与相邻的半径较大的空气孔之间的距离为90μm ~91μm。
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