CN105891966B - 一种复合波导结构机械式THz光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别涉及一种复合波导结构机械式THz光开关。一种复合波导结构机械式THz光开光，包括两种不同的周期结构中空圆柱状金属波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来。本发明具有结构简单、易操作、材料低廉的优点；本发明结构为完全的金属结构，可以有效的防止外界的电磁辐射，而且介质损耗很低，无需封装；本发明具有结构尺寸小的优点，可用于太赫兹集成系统当中；本发明具有插入损耗低、响应快、可重复使用和寿命长的优点。

Description

一种复合波导结构机械式THz光开关

技术领域

本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别涉及一种复合波导结构机械式THz光开关。

背景技术

太赫兹光开光是太赫兹网络系统中对信号进行控制的核心器件，在太赫兹领域广泛的应用于光层的路由选择、上下话路、光交叉连接、器件测试、波长选择及自愈保护等方面。光开关按照工作原理可分为机械式光开关和波导型光开关，相对于波导型光开关，机械式光开关具有价格便宜、插入损耗低、串扰小和重复性好的优势。

近些年，对于光开关方面国内外都取得了很多研究成果。2007年，美国波士顿大学的Hou-Tong Chen等人在Opt.Lett.上发表了文章“Ultrafast optical switching ofterahertzmetamaterials fabricated on ErAs/GaAsnanoislandsuperlattices”，研究了在ErAs/GaAs纳米晶格基底上制作太赫兹超材料光开关，其复原时间可以达到20皮秒之短。2009年，我国华中科技大学的王涛和李庆等人在《光学学报》上发表了文章《有源光子带隙高速全光开关的研究》，提出了一种基于非共振光学斯塔克效应的有源光子带隙全光偏振开关，此种开关具有体积小和开关时间短的优点。2012年，英国南安普顿大学的AndregE.Nikolaenko等人在Opt.Express上发表了文章“THz band width optical switchingwith carbon nanotube metaterial”，研究了一种基于碳纳米管材料的太赫兹光开关，具有低开关能量和超快的弛豫时间的性能。2015年，我国南京邮电大学的刘佳和陈鹤鸣在《光通信研究》上发表了文章《复式晶格光子晶体多波长THz光开关》，提出了一种基于复式晶格光子晶体的多波长THz光开关，此结构能过实现四波长THz波的开关控制，它的消光比可以达到40dB，插入损耗为0.109dB。

已发表的相关专利也是硕果累累，2010年天津大学的胡明和陈涛等人申请了专利《一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法》，专利公开号为CN 101950092A，是一种氧化钒薄膜结构，具有消光比高等优点。2013年广西安捷讯电子科技有限公司的姚凤岐申请了名为《2×2机械光开关》的发明专利，其专利公开号为CN 103487893A，此发明可以降低封装难度，适合大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用完全的金属结构，可以有效的避免外界的电磁辐射产生的干扰，而且不用考虑封装的问题的复合波导结构机械式THz光开关。

本发明的目的是这样实现的：

一种复合波导结构机械式THz光开光，包括两种不同的周期结构中空圆柱状金属波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来。

所述的波导结构管壁所采用的材料是低损耗的金属。

复合波导结构为中空的波导，其填充物为空气。

所述的两种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二阶横向模式的截止频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度。

所述的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件，但波导I二阶横向模式的截止频率在m＝1，n＝1和m＝1，n＝-1的交点下方，波导II二阶横向模式的截止频率在m＝1，n＝1和m＝1，n＝-1交点的下方的条件下给出的。

其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I和波导II的起伏结构形成基底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20μm的长度，波导II的第一个长半径端多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱；成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度是10μm，其中波导II的第一个长半径端多加工出的与波导I长半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所漏出的圆环处涂覆金属层；然后将聚合物基底腐蚀掉；最后将波导II的长半径端插到波导I的长半径端，最后利用电子束喷射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个长度为10μm的内径大于波导II长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径端口内。

本发明的有益效果在于：

本发明具有结构简单、易操作、材料低廉的优点；本发明结构为完全的金属结构，可以有效的防止外界的电磁辐射，而且介质损耗很低，无需封装；本发明具有结构尺寸小的优点，可用于太赫兹集成系统当中；本发明具有插入损耗低、响应快、可重复使用和寿命长的优点。

附图说明

图1为本发明一种复合波导结构机械式THz光开关的结构的剖面图。

图2为本发明一种复合波导结构机械式THz光开关的结构分别在“开”、“关”状态下的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和理论计算的实例对本发明进行详细的描述。

本发明涉及的是光器件领域，具体是一种复合波导结构机械式THz光开关。这种结构是由两种周期结构波导(波导I波导II)组成的，两种波导的结构参数是由相同的布拉格共振条件，但它们二阶横向模式的截止频率所处的位置不同的条件下给出的，其特点是波导I的短半径r_1I和波导II的长半径r_2II相同。两个波导均取六个周期，太赫兹波由波导I的短半径端入射，由波导II的短半径端出射。两个波导的连接处，将波导II的最开始的半个周期(长半径端)套入波导I的最后半个周期(长半径端)内形成一种套扣的形式，使其能够进行拉伸。在没有将波导II拉伸出来时，即呈现出波导II的长半径端与波导I的短半径端相连的情况，此时处于“关”的状态，当将波导II拉伸出来后，即呈现出波导II的长半径端与波导I长半径端连接的情况，此时处于“开”状态。本结构无需封装、材料低廉、容易生产、可用于大规模的生产加工。

图1中灰色带条纹部分为波导I，灰色实体部分为波导II，虚线框内是套扣部分；r_1I、r_2I和Λ_I分别为波导I的短半径、长半径和周期长度；r_1II、r_2II和Λ_II分别为波导II的短半径、长半径和周期长度。

本发明提供了一种复合波导结构机械式THz光开关，它是由两种中空的周期结构波导(波导I和波导II)以一种套扣的形式连接起来而成的。这两种周期结构波导的结构参数是由不同二阶横向模式截止频率条件下的布拉格共振给出的，其中波导I的二阶横向模式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之下，波导II的二阶横向模式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之上。两个波导的连接处均是各自的长半径端，将波导II的长半径端套入波导I的长半径端，使其在波导I的长半径端的内部能够拉伸，当波导II的长半径端插到波导I里面与波导I的短半径处连接时，此结构处于“关”的状态，当波导II的长半径端拉到波导I的长半径端端口时与波导I的长半径处连接，此结构处于“开”的状态，两个波导均取六个周期，太赫兹波由波导I的短半径端进，波导II的短半径端出。

所述的复合结构波导的管壁为低损耗的金属材料制作而成的，复合波导为中空波导，其芯内填充物为空气。其制作方法是利用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I和波导II的起伏结构形成基底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20μm的长度，波导II的第一个长半径端多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱。成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度是10μm，其中波导II的第一个长半径端多加工出的与波导I长半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所漏出的圆环处涂覆金属层。然后将聚合物基底腐蚀掉。最后将波导II的长半径端插到波导I的长半径端，最后利用电子束喷射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个长度为10μm的内径大于波导II长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径端口内。

在周期结构波导中电磁波的横向模式之间会发生共振，从而产生频率禁带，使得某些特定频率范围内的电磁波不能通过此种周期结构波导。当共振条件不同时得到的两种周期结构波导且它们有相同的频率禁带的情况下，使这两种波导连接起来，不但不能更有效的抑制电磁波的传输，反过来由于局部共振的原因，会在两波导重合的频率禁带内出现通带，当其中的一个波导的周期完整性被破坏后，这种局部共振效应会消失，使其产生的通带消失，这样就可以实现光开关的功能。

两种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二阶横向模式的截止频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度。在周期结构波导中，由于周期状起伏结构的存在，使得横向模式之间会发生共振，从而产生频率禁带。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振被称为布拉格共振，产生布拉格禁带。这里的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件(m＝1，n＝0和m＝1，n＝1)，但不同二阶横向模式截止频率条件下的布拉格共振给出的，其中波导I的二阶横向模式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之下，波导II的二阶横向模式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之上。

一种复合波导结构机械式THz光开关，如图1所示为本发明结构的剖面图，本发明是由两种周期结构波导组成的，所述的周期结构波导的一个周期Λ内的短半径r₁和长半径r₂部分各占一半，且两个部分曾交替状态的起伏周期结构。两个波导以一种套扣的形式，将波导II的长半径端套入波导I的长半径端连接起来的。

如图1所示，为理论计算时所用的模型，这两个波导的结构尺寸分别为：波导I：r_1I＝171μm，r_2I＝209μm，Λ_I＝182μm；波导II：r_III＝139.5μm，r_2II＝171μm，Λ_II＝224μm。

如图1所示，灰色带条纹部分为波导I，灰色实体部分为波导II，虚框内为两波导的连接处的套扣结构，当波导II的长半径端插到波导I里面与波导I的短半径处连接时，0.86～1.1THz范围内完全为禁带，此时处于“关”的状态，当波导II的长半径端拉到波导I的长半径端端口时与波导I的长半径处连接，会在0.9634THz附近出现一个很窄的透射峰，此时处于“开”的状态。

以上所述的实施例子仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和尺寸等都是可以根据设计而变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种复合波导结构机械式THz光开关，其特征在于：包括两种不同的周期结构中空圆柱状金属波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来；

所述的波导结构管壁所采用的材料是低损耗的金属；

复合波导结构为中空的波导，其填充物为空气；

所述的两种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二阶横向模式的截止频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的长半径与短半径的平均值，β是传播常数，n是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度；

所述的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件，但波导I二阶横向模式的截止频率在m＝1，n＝1和m＝1，n＝-1的交点下方，波导II二阶横向模式的截止频率在m＝1，n＝1和m＝1，n＝-1交点的下方的条件下给出的；

其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I和波导II的起伏结构形成基底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20μm的长度，波导II的第一个长半径端多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱；成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度是10μm，其中波导II的第一个长半径端多加工出的与波导I长半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所漏出的圆环处涂覆金属层；然后将聚合物基底腐蚀掉；最后将波导II的长半径端插到波导I的长半径端，最后利用电子束喷射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个长度为10μm的内径大于波导II长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径端口内。