CN105572797B - 一种太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器,它由一个矩形腔、一个吸收腔、金属块、一个竖直波导、一个水平波导、三个金属膜、一个太赫兹波、一个水平传播的参考光组成；所述矩形腔位于太赫兹脉冲波输入端，所述太赫兹脉冲波的入射端位于吸收腔的上端，所述吸收腔和竖直波导连接；所述金属块设置于竖直波导内，且可以移动；所述竖直波导和水平波导连接；所述参考光的输出功率与输入太赫兹脉冲波的功率一一对应。本发明将太赫兹脉冲幅度调制信号转化为光脉冲幅度调制信号，极大降低了太赫兹脉冲调幅信号的解调装置的成本，具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米尺度的太赫兹波-光波变换放大器件，尤其涉及一种基于导体-绝缘体-导体(MIM)结构的SPP太赫兹波脉冲调幅信号直转光脉冲调幅变换放大器。
背景技术
近年来，人们对电磁波谱之中各个波段的研究都有了长足的进展，而唯独在太赫兹波段(0.1THz-10THz)，人们的研究还欠缺。与目前的无线通信相比，太赫兹波段占据了更丰富，更宽阔的频谱资源，这使其在未来的宽带无线通信领域有着巨大的潜力和广阔的应用前景。调幅波通信是一种常用的通信方式。在太赫兹调幅通信系统中，太赫兹调幅解调器是必不可少的器件。
目前在太赫兹波探测器的研究上已经取得进展，如热效应探测器、热敏电阻探测器、液氦冷却Si或者Ge热辐射测量仪、超导混频技术以及利用声子和电子散射冷却机制发展起来的热电子辐射计，这些技术可以对太赫兹波进行强度探测。利用频率基于远红外和微波之间的相干电磁脉冲作为探测源，再用光电导取样或自由空间的电光取样方法直接记录太赫兹辐射电场的振幅时间波形的太赫兹时域光谱技术既可以测得太赫兹波的振幅也可以得到相位信息。虽然这些技术各有所长，但是体积都过大，对工作环境的要求相当苛刻，且所得到的信号非常微弱，需要很高放大倍数的放大器，所以价格昂贵，不便于实际应用。这就使得以传统的太赫兹波探测器为基础所构建的太赫兹调幅解调器体积过大，成本高，不利于实际应用。
基于表面等离子激元的波导却能突破衍射极限的限制，实现纳米尺度的光信息处理和传输。表面等离子激元是当电磁波入射到金属与介质分界面时，电磁波和金属表面的自由电子耦合形成的一种在金属表面传播的表面电磁波。根据表面等离子激元的性质，人们已经提出了很多基于表面等离子体结构的器件，例如滤波器、环形器、逻辑门、光开关等。这些器件在结构上都比较简单，非常便于光路集成。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种便于集成的基于表面等离子激元波导的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号直接变换放大器。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明的一种太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器由一个矩形腔、一个吸收腔、金属块、一个竖直波导、一个水平波导、三个金属膜、一个太赫兹波、一个水平传播的参考光组成；所述矩形腔位于太赫兹脉冲波输入端，所述太赫兹脉冲波的入射端位于吸收腔的上端，所述吸收腔和竖直波导连接；所述金属块设置于竖直波导内，且可以移动；所述竖直波导和水平波导连接；所述参考光的输出功率与输入太赫兹脉冲波的功率一一对应。
所述矩形腔内的物质为高透射率的物质。
所述高透射率的物质为硅、锗或砷化镓。
所述吸收腔内物质为高热膨胀系数的物质。
所述高膨胀系数的物质为酒精或水银。
所述吸收腔的形状为圆形、多边形、椭圆形或不规则形状。
所述金属为银。
所述水平波导5和竖直波导4为MIM结构的波导。
所述水平波导内的介质为空气。
所述太赫兹波为加载脉冲幅度信号的太赫兹波。
所述参考光为激光或相干光。
本发明的优点：
利用传统的光学探测器就可以将太赫兹波中的调制信号检测出来，将便于集成的基于表面等离子激元波导的太赫兹脉冲幅度调制信号直接转化为光脉冲幅度调制信号，极大降低了太赫兹脉冲调幅信号的解调装置的成本，具有广泛的应用价值。
由于光信号探测器的成本远小于太赫兹信号的探测成本，使系统的制作成本大为降低，且在转换过程中调制信号被大量放大，不需要额外的信号放大器来放大探测信号，进一步降低了系统的制作成本。
附图说明
图1是本发明太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器第一种实施例二维结构示意图。
图中：矩形腔1 吸收腔2 金属块3 竖直波导4 水平波导5 金属膜6 金属膜7 金属膜8 太赫兹波 水平传播的参考光200
图2是图1所示三维结构示意图。
图3是太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器第二种实施例二维结构示意图。
图中：矩形腔1 吸收腔2 金属块3 竖直波导4 水平波导5 金属膜6 金属膜7 金属膜8 太赫兹波100 水平传播的参考光200
图4是图3所示的三维结构示意图。
图5是信号光输出功率与太赫兹波输入功率之间的关系图。
图6是信号光输出功率的数据拟合图。
图7是实施例1中太赫兹脉冲波的功率为0.5nW的输出波形变换图。
图8是实施例1中太赫兹脉冲波的功率为1nW的输出波形变换图。
图9是实施例1中太赫兹脉冲波的功率为1.2nW的输出波形变换图。
图10是实施例2中太赫兹脉冲波的功率为0.5nW的输出波形变换图。
图11是实施例2中太赫兹脉冲波的功率为1nW的输出波形变换图。
图12是实施例2中太赫兹脉冲波的功率为1.2nW的输出波形变换图。
具体实施方式
本发明具体结构及其实施例结合附图说明如下。
如图1和2所示(图2中省略了结构上面的封装介质)，本发明的变换放大器由一个矩形腔1、一个吸收腔2(太赫兹波吸收腔)、金属块3、一个竖直波导4、一个水平波导5、金属膜6、7、8、一个太赫兹波100、一个水平传播的参考光200(表面等离子激元)组成；矩形腔1位于太赫兹脉冲波输入端，该矩形腔1内的物质为对控制光有高透射率的物质；高透射率的物质采用硅、锗或砷化镓，矩形腔宽度l采用150nm-500nm取值范围；太赫兹波100为加载脉冲幅度信号的太赫兹波，该太赫兹波本身是调制信号，是系统的输入信号；信号光中心波长采用780nm频带半宽采用20nm的频谱信号，太赫兹脉冲波的中心波长采用3μm；太赫兹脉冲波经过的周期为T，脉宽为t的脉冲波调幅调制过的，调制过的太赫兹脉冲波的周期为T，同样脉宽为t，周期T采用0.1μs-3ms取值范围，t采用T/4-T/2取值范围；太赫兹脉冲波的周期T采用3ms，脉宽t即为1ms。参考光采用激光或其他相干光，吸收腔2和竖直波导4连接，该吸收腔2(太赫兹脉冲吸收腔)内的物质为，太赫兹波具有高吸收系数，且高热膨胀系数的物质，所述高膨胀系数的物质采用酒精；吸收腔2(太赫兹波吸收腔)采用圆形腔，半径为R，其截面积采用502655nm2；金属块3设置于竖直波导4内，且可以移动，移动金属块3长度m采用80nm-150nm取值范围，以125nm长度为最佳，可移动金属块3距离水平波导5的距离s采用0nm-150nm距离范围，且由金属块3的位置确定，该金属块3采用金或银，最佳为银；竖直波导4和水平波导5连接，竖直波导4和水平波导5为MIM结构的波导，即MIM结构的波导为金属-绝缘体-金属结构；金属采用金或银，金属采用银；绝缘体采用透明不导电的物质；透明不导电物质为空气、二氧化硅或硅；竖直波导4位于水平波导5的上端；竖直波导4宽度b采用30nm-60nm取值范围，以35nm宽度为最佳，竖直波导4长度M采用200nm以上值，以300nm长度为最佳；竖直波导4的左边缘到金属膜6左边缘的距离a采用350nm-450nm取值范围，以400nm为最佳。水平波导5宽度d采用30nm-100nm取值范围，以50nm宽度为最佳，水平波导5内的介质采用空气；水平波导5的下边缘距离金属膜6的边缘的距离c采用大于150nm的取值范围。
本发明通过太赫兹波来加热吸收腔内的酒精，使其膨胀推动可移动金属块3向水平波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，从而改变参考光的透射率；可移动金属块3往下移动使其到水平波导5距离发生变化，信号光的透过率也就随之发生变化。参考光的输出功率与输入太赫兹脉冲波的功率一一对应，由此即可把参考光调制成光脉冲幅度信号。这样太赫兹脉冲幅度调制信号就完全转化为光脉冲幅度调制信号，并将调制信号放大。根据硅光探测器伏安特性又可将得到光脉冲的强度信息转化为电信号，这样非常便于信息的处理。当太赫兹波不通入吸收腔2时，在外界大气压的作用下，金属块3又会回到初始压力平衡的位置，方便下一个脉冲的到来。
本发明酒精的比热容是C＝2.4×103J/kg·℃，体积膨胀系数为αethanol＝1.1×10-3/℃，在室温(20℃)时密度为ρ＝0.789g/cm3。银的线膨胀系数为αAg＝19.5×10-6/℃，相比于酒精的膨胀系数，在相同温度变化下银的膨胀可以忽略不计。
本发明酒精对太赫兹波吸收遵循Beer-lambert定律，吸收系数的定义如下：强度为I0、频率为μ的单色激光，通过长度为l的吸收介质后，在出射端的光强为I，
I＝I0e-kl (1)
则k就定义为吸收系数，由公式可以看出酒精溶液对太赫兹波能量的吸收量和光在酒精介质中的长度有关，所以为了让太赫兹脉冲波的能量尽可能被酒精吸收，就必须增加波在酒精内的传播距离，最终确定太赫兹脉冲波的入射端在吸收腔2的上端。当太赫兹脉冲波入射到酒精区域，酒精吸收太赫兹波的能量，温度升高体积变大，然后推动金属块3移动，从而改变信号光的透过率。最终实现将太赫兹脉冲调幅信号的信息转化为光脉冲调幅信号。
如图3和4所示(图中省略了结构上面的封装介质)，本发明的变换放大器由一个矩形腔1、一个吸收腔2(太赫兹波吸收腔)、金属块3、一个竖直波导4、一个水平波导5、金属膜6、7、8、一个太赫兹波100、一个水平传播的参考光200(表面等离子激元)组成；矩形腔1位于太赫兹脉冲波输入端，该矩形腔1内的物质为对控制光有高透射率的物质；高透射率的物质采用硅、锗或砷化镓，矩形腔1宽度l可选150nm-500nm取值范围；太赫兹波100为加载脉冲幅度信号的太赫兹波，该太赫兹波本身是调制信号，即系统的输入信号；信号光中心波长采用780nm频带半宽为20nm的频谱信号，太赫兹脉冲波的中心波长采用3μm；太赫兹脉冲波经过的周期为T，脉宽为t的脉冲波调幅调制过的，调制的太赫兹脉冲波的周期为T，同样脉宽为t，周期T采用0.1μs-3ms取值范围，t采用T/4-T/2取值范围；太赫兹脉冲波的周期T采用3ms，脉宽t即为1ms。参考光采用激光或其他相干光，吸收腔2和竖直波导4连接，该吸收腔2(太赫兹波吸收腔)内的物质为对太赫兹波具有高吸收系数且具有高热膨胀系数的物质，高膨胀系数的物质采用酒精，吸收腔2(太赫兹波吸收腔)为六边形，边长为r，其截面积采用502655nm2；金属块3设置于竖直波导4内，且可以移动，移动金属块3长度m采用80nm-150nm取值范围，以选用125nm长度最佳，可移动金属块3距离水平波导5的距离s采用0nm-150nm距离范围，且由金属块3的位置确定，该金属块3采用金或银，最佳为银；竖直波导4和水平波导5连接，竖直波导4和水平波导5为MIM结构的波导，即：MIM结构的波导为金属-绝缘体-金属结构；金属采用金或银，绝缘体采用透明不导电的物质；透明不导电物质为空气、二氧化硅或硅；金属为银；竖直波导4位于水平波导5的上端；竖直波导4宽度b采用30nm-60nm取值范围，以35nm宽度为最佳，竖直波导4长度M采用200nm以上的值，以300nm长度为最佳，采用竖直波导4的左边缘到金属膜6左边缘的距离a采用350nm-450nm取值范围，以400nm为最佳。水平波导5宽度d采用30nm-100nm取值范围，以50nm宽度为最佳，水平波导5内的介质采用空气；水平波导5的下边缘距离金属膜6的边缘的距离c采用大于150nm的取值范围。
本发明通过控制光来加热吸收腔内的酒精，使其膨胀推动可移动金属块3向水平波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，从而改变信号光的透射率；可移动金属块3往下移动使其到水平波导5距离发生变化，信号光的透过率也就随之发生变化。信号光的输出功率与输入太赫兹脉冲波的功率一一对应，由此即可把信号光调制成光脉冲幅度信号。这样太赫兹脉冲幅度调制信号就完全转化为光脉冲幅度调制信号，并将调制信号放大。根据硅光探测器伏安特性又可将得到光脉冲的强度信息转化为电信号，这样就非常便于信息的处理了。当太赫兹波不在通入吸收腔时，在外界大气压的作用下，金属块3又会回到初始压力平衡的位置，方便下一个脉冲的到来。
如图5所示，太赫兹脉冲波入射到吸收腔内的时间为太赫兹脉冲的脉宽t的大小，即为1ms。太赫兹脉冲波对吸收腔内的物质加热时间为1ms，对于圆形腔和多边形腔由于太赫兹波在其内会多次反射，所以酒精对其的吸收设为完全吸收。根据酒精的参数以及结构的参数可以仿真计算出信号光的输出功率与太赫兹脉冲波输入功率之间的关系图，其中输入信号激光的功率为1W。根据酒精的参数以及结构的参数可以仿真计算出信号光的输出功率与太赫兹脉冲波输入功率之间的关系图，其中输入信号激光的功率为1W。
如图6所示，太赫兹脉冲波输入功率在0.1nW-1.45nW时，输入和输出基本是线性关系。信号光输出功率的数据拟合图。将此段数据处理并做线性拟合可以得到图6的关系图，即信号光输出功率的数据拟合图。调制转换器的放大系数定义如下：
从数据和图，再根据公式2可以得出转换放大系数为0.4575×109倍。这样太赫兹脉冲幅度信号就完全转化为光脉冲幅度信号，而且转化这样对于光的探测是很方便的，根据硅光探测器伏安特性又可将得到光脉冲的强度信息转化为电信号，这样就非常便于信息的处理了。
实施例1
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为0.5nW。采用图1、2结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.25W，如图7所示的波形变换图。
实施例2
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为1nW。采用图1、2结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.47W，如图8所示的波形变换图。
实施例3
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为1.2nW。采用图1、2结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.57W，如图9所示的波形变换图。
实施例4
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为0.5nW。采用图3、4结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.25W，如图10所示的波形变换图。
实施例5
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为1nW。采用图3、4结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.47W，如图11所示的波形变换图。
实施例6
本实施例中，入射太赫兹脉冲调幅信号强度为1.2nW。采用图3、4结构，利用二维数值模拟得到此时的参考光输出功率为0.57W，如图12所示的波形变换图。
尽管本专利已介绍了一些具体的实例，只要不脱离本脱离本专利权利要求所规定的精神，各种更改对本领域技术人员来说是显而易见的。
Claims (7)
1.一种太兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：由一个矩形腔、一个吸收腔、一个金属块、一个竖直波导、一个水平波导、三个金属膜、一个太赫兹波和一个水平传播的参考光组成；所述矩形腔设置于所述太赫兹波的输入端；所述太赫兹波为加载脉冲调幅信号的太赫兹波；所述太赫兹波的入射端设置于所述吸收腔的上端；所述吸收腔内的物质为酒精；所述吸收腔和所述竖直波导连接；所述竖直波导和所述水平波导连接；所述水平波导和所述竖直波导为金属-绝缘体-金属波导结构；所述竖直波导内设置所述金属块；所述参考光的输出功率与所述太赫兹波的输入功率相对应；所述太赫兹波的入射端入射到酒精区域，酒精吸收所述太赫兹波的能量，以推动所述金属块移动，从而将所述太兹波脉冲调幅信号转换为所述光脉冲调幅信号。
2.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述矩形腔内的物质为高透射率的物质。
3.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述矩形腔内的物质为硅、锗或者砷化镓。
4.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述吸收腔的形状为多边形、圆形或者椭圆形。
5.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述金属块为银。
6.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述水平波导内的介质为空气。
7.按照权利要求1所述的太赫兹波脉冲调幅信号与光脉冲调幅信号变换放大器，其特征在于：所述参考光为激光或者相干光。
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