CN106405735B - 硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器 - Google Patents

硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器。它包括包括基底层、中央矩形硅波导、左一长矩形硅波导、左二长矩形硅波导、左三长矩形硅波导、中一短矩形硅波导、中二短矩形硅波导、中三短矩形硅波导、下一长矩形硅波导、下二长矩形硅波导、右一长矩形硅波导、倒L形硅波导、右二长矩形硅波导、L形硅波导、信号输入端、第一信号输出端、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TE波，第二信号输出端输出TM波，获得偏振分束性能。本发明具有结构简单、分束率高，尺寸小，成本低、易于集成等优点。

Description

硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器
技术领域
本发明涉及太赫兹波分束器，尤其涉及一种硅阵列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：
硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，包括基底层、中央矩形硅波导、左一长矩形硅波导、左二长矩形硅波导、左三长矩形硅波导、中一短矩形硅波导、中二短矩形硅波导、中三短矩形硅波导、下一长矩形硅波导、下二长矩形硅波导、右一长矩形硅波导、倒L形硅波导、右二长矩形硅波导、L形硅波导、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端；基底层左侧中央设有中央矩形硅波导，中央矩形硅波导上部与左一长矩形硅波导、左二长矩形硅波导、左三长矩形硅波导、中一短矩形硅波导、中二短矩形硅波导、中三短矩形硅波导相连，中央矩形硅波导下部与下一长矩形硅波导、下二长矩形硅波导相连，右一长矩形硅波导的右端与倒L形硅波导的左端相连，右二长矩形硅波导的右端与L形硅波导的左端相连；中央矩形硅波导的左端设有信号输入端，倒L形硅波导的右端设有第一信号输出端，L形硅波导的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TE波，第二信号输出端输出TM波，获得偏振分束性能。
太赫兹波偏振分束器的具体结构参数可做如下优选：所述的基底层的材料为二氧化硅，折射率为1.5，其长度为22～24μm，宽度为16～18μm，厚度为9～10μm。所述的中央矩形硅波导的长度为16～18μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的左一长矩形硅波导的左侧与基底层左侧边缘的距离为2～2.5μm。左一长矩形硅波导与左二长矩形硅波导之间、左二长矩形硅波导与左三长矩形硅波导之间的距离相等均为1～1.5μm，左一长矩形硅波导与左三长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为6～6.5μm，宽度均为1～1.5μm，厚度均为0.4～0.5μm，左二长矩形硅波导的长度为7～7.5μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的中一短矩形硅波导与左三长矩形硅波导之间、中一短矩形硅波导与中二短矩形硅波导之间、中二短矩形硅波导与中三短矩形硅波导之间的距离相等均为2～2.5μm，中一短矩形硅波导与中三短矩形硅波导的尺寸参数相同，长度和宽度均为2～2.5μm，厚度均为0.4～0.5μm，中二短矩形硅波导的长度为2.5～3μm，宽度为2～2.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的下一长矩形硅波导的左侧与基底层左侧边缘的距离为3～3.5μm，下一长矩形硅波导与下二长矩形硅波导之间的距离为1～1.5μm，下一长矩形硅波导与下二长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为7～7.5μm，宽度均为1～1.5μm，厚度均为0.4～0.5μm。所述的右一长矩形硅波导与右二长矩形硅波导位于中央矩形硅波导两侧，右一长矩形硅波导与中央矩形硅波导之间的距离为3～3.5μm，右二长矩形硅波导与中央矩形硅波导之间的距离为0.4～0.5μm，右一长矩形硅波导与右二长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为11～13μm，宽度均为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的倒L形硅波导的底端与右一长矩形硅波导的右端相连，倒L形硅波导的总长度(指该部件的整体长度，即长度方向两侧边缘的间距，下同)为5.5～6μm，总宽度(指该部件的整体宽度，即宽度方向两侧边缘的间距，下同)为4.5～5μm，宽度(指该部件的横断面处硅波导的宽度，下同)为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的L形硅波导的顶端与右二长矩形硅波导的右端相连，L形硅波导的总长度为8～9μm，总宽度为4.5～5μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。
本发明的硅阵列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是硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器的结构示意图；
图2是硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器的第一信号输出端输出功率曲线；
图3是硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器的第二信号输出端输出功率曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，包括基底层1、中央矩形硅波导2、左一长矩形硅波导3、左二长矩形硅波导4、左三长矩形硅波导5、中一短矩形硅波导6、中二短矩形硅波导7、中三短矩形硅波导8、下一长矩形硅波导9、下二长矩形硅波导10、右一长矩形硅波导11、倒L形硅波导12、右二长矩形硅波导13、L形硅波导14、信号输入端15、第一信号输出端16、第二信号输出端17；基底层1左侧中央设有中央矩形硅波导2，中央矩形硅波导2上部与左一长矩形硅波导3、左二长矩形硅波导4、左三长矩形硅波导5、中一短矩形硅波导6、中二短矩形硅波导7、中三短矩形硅波导8相连，中央矩形硅波导2下部与下一长矩形硅波导9、下二长矩形硅波导10相连，右一长矩形硅波导11的右端与倒L形硅波导12的左端相连，右二长矩形硅波导13的右端与L形硅波导14的左端相连；中央矩形硅波导2的左端设有信号输入端15，倒L形硅波导12的右端设有第一信号输出端16，L形硅波导14的右端设有第二信号输出端17，信号从信号输入端15输入，第一信号输出端16输出TE波，第二信号输出端17输出TM波，获得偏振分束性能。
所述的基底层1的材料为二氧化硅，折射率为1.5，其长度为22～24μm，宽度为16～18μm，厚度为9～10μm。所述的中央矩形硅波导2的长度为16～18μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的左一长矩形硅波导3的左侧与基底层1左侧边缘的距离为2～2.5μm。左一长矩形硅波导3与左二长矩形硅波导4之间、左二长矩形硅波导4与左三长矩形硅波导5之间的距离相等均为1～1.5μm，左一长矩形硅波导3与左三长矩形硅波导5的尺寸参数相同，长度均为6～6.5μm，宽度均为1～1.5μm，厚度均为0.4～0.5μm，左二长矩形硅波导4的长度为7～7.5μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的中一短矩形硅波导6与左三长矩形硅波导5之间、中一短矩形硅波导6与中二短矩形硅波导7之间、中二短矩形硅波导7与中三短矩形硅波导8之间的距离相等均为2～2.5μm，中一短矩形硅波导6与中三短矩形硅波导8的尺寸参数相同，长度和宽度均为2～2.5μm，厚度均为0.4～0.5μm，中二短矩形硅波导7的长度为2.5～3μm，宽度为2～2.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的下一长矩形硅波导9的左侧与基底层1左侧边缘的距离为3～3.5μm，下一长矩形硅波导9与下二长矩形硅波导10之间的距离为1～1.5μm，下一长矩形硅波导9与下二长矩形硅波导10的尺寸参数相同，长度均为7～7.5μm，宽度均为1～1.5μm，厚度均为0.4～0.5μm。所述的右一长矩形硅波导11与右二长矩形硅波导13位于中央矩形硅波导2两侧，右一长矩形硅波导11与中央矩形硅波导2之间的距离为3～3.5μm，右二长矩形硅波导13与中央矩形硅波导2之间的距离为0.4～0.5μm，右一长矩形硅波导11与右二长矩形硅波导13的尺寸参数相同，长度均为11～13μm，宽度均为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的倒L形硅波导12的底端与右一长矩形硅波导11的右端相连，倒L形硅波导12的总长度为5.5～6μm，总宽度为4.5～5μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。所述的L形硅波导14的顶端与右二长矩形硅波导13的右端相连，L形硅波导14的总长度为8～9μm，总宽度为4.5～5μm，宽度为1～1.5μm，厚度为0.4～0.5μm。
实施例1
本实施例中，太赫兹波偏振分束器的结构亦如前所述(图1)，具体结构在此不再赘叙。太赫兹波偏振分束器的结构参数具体为：基底层的材料为二氧化硅，折射率为1.5，其长度为22.5μm，宽度为17μm，厚度为10μm。中央矩形硅波导的长度为17μm，宽度为1μm，厚度为0.5μm。左一长矩形硅波导的左侧与基底层左侧边缘的距离为2μm。左一长矩形硅波导与左二长矩形硅波导之间、左二长矩形硅波导与左三长矩形硅波导之间的距离相等均为1μm，左一长矩形硅波导与左三长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为6μm，宽度均为1μm，厚度均为0.5μm，左二长矩形硅波导的长度为7μm，宽度为1μm，厚度为0.5μm。中一短矩形硅波导与左三长矩形硅波导之间、中一短矩形硅波导与中二短矩形硅波导之间、中二短矩形硅波导与中三短矩形硅波导之间的距离相等均为2μm，中一短矩形硅波导与中三短矩形硅波导的尺寸参数相同，长度和宽度均为2μm，厚度均为0.5μm，中二短矩形硅波导的长度为2.5μm，宽度为2μm，厚度为0.5μm。下一长矩形硅波导的左侧与基底层左侧边缘的距离为3μm，下一长矩形硅波导与下二长矩形硅波导之间的距离为1μm，下一长矩形硅波导与下二长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为7μm，宽度均为1μm，厚度均为0.5μm。右一长矩形硅波导与右二长矩形硅波导位于中央矩形硅波导两侧，右一长矩形硅波导与中央矩形硅波导之间的距离为3μm，右二长矩形硅波导与中央矩形硅波导之间的距离为0.5μm，右一长矩形硅波导与右二长矩形硅波导的尺寸参数相同，长度均为12μm，宽度均为1μm，厚度为0.5μm。倒L形硅波导的底端与右一长矩形硅波导的右端相连，倒L形硅波导的总长度为5.5μm，总宽度为4.5μm，宽度为1μm，厚度为0.5μm。L形硅波导的顶端与右二长矩形硅波导的右端相连，L形硅波导的总长度为8μm，总宽度为4.5μm，宽度为1μm，厚度为0.5μm。硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器的第一信号输出端的TE波、TM波功率曲线如图2所示，TE波的输出效率介于-1.5～-2dB，TM波的输出效率介于-17.5～-24dB；硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器的第二信号输出端的TM波、TE波功率曲线如图3所示，TM波的输出效率介于-1.5～-2.2dB，TE波的输出效率介于-18.5～-23.5dB。可以看出，第一信号输出端输出是TE波，而第二信号输出端输出的是TM波，实现了偏振分束功能。

Claims (7)

1.一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于包括基底层（1）、中央矩形硅波导（2）、左一长矩形硅波导（3）、左二长矩形硅波导（4）、左三长矩形硅波导（5）、中一短矩形硅波导（6）、中二短矩形硅波导（7）、中三短矩形硅波导（8）、下一长矩形硅波导（9）、下二长矩形硅波导（10）、右一长矩形硅波导（11）、倒L形硅波导（12）、右二长矩形硅波导（13）、L形硅波导（14）、信号输入端（15）、第一信号输出端（16）、第二信号输出端（17）；基底层（1）左侧中央设有中央矩形硅波导（2），中央矩形硅波导（2）上部与左一长矩形硅波导（3）、左二长矩形硅波导（4）、左三长矩形硅波导（5）、中一短矩形硅波导（6）、中二短矩形硅波导（7）、中三短矩形硅波导（8）相连，中央矩形硅波导（2）下部与下一长矩形硅波导（9）、下二长矩形硅波导（10）相连，右一长矩形硅波导（11）的右端与倒L形硅波导（12）的左端相连，右二长矩形硅波导（13）的右端与L形硅波导（14）的左端相连；中央矩形硅波导（2）的左端设有信号输入端（15），倒L形硅波导（12）的右端设有第一信号输出端（16），L形硅波导（14）的右端设有第二信号输出端（17），信号从信号输入端（15）输入，第一信号输出端（16）输出TE波，第二信号输出端（17）输出TM波，获得偏振分束性能。
2.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的基底层（1）的材料为二氧化硅，折射率为1.5，其长度为22~24μm，宽度为16~18μm，厚度为9~10μm。
3.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的中央矩形硅波导（2）的长度为16~18μm，宽度为1~1.5μm，厚度为0.4~0.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的左一长矩形硅波导（3）的左侧与基底层（1）左侧边缘的距离为2~2.5μm；左一长矩形硅波导（3）与左二长矩形硅波导（4）之间、左二长矩形硅波导（4）与左三长矩形硅波导（5）之间的距离相等均为1~1.5μm，左一长矩形硅波导（3）与左三长矩形硅波导（5）的尺寸参数相同，长度均为6~6.5μm，宽度均为1~1.5μm，厚度均为0.4~0.5μm，左二长矩形硅波导（4）的长度为7~7.5μm，宽度为1~1.5μm，厚度为0.4~0.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的中一短矩形硅波导（6）与左三长矩形硅波导（5）之间、中一短矩形硅波导（6）与中二短矩形硅波导（7）之间、中二短矩形硅波导（7）与中三短矩形硅波导（8）之间的距离相等均为2~2.5μm，中一短矩形硅波导（6）与中三短矩形硅波导（8）的尺寸参数相同，长度和宽度均为2~2.5μm，厚度均为0.4~0.5μm，中二短矩形硅波导（7）的长度为2.5~3μm，宽度为2~2.5μm，厚度为0.4~0.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的下一长矩形硅波导（9）的左侧与基底层（1）左侧边缘的距离为3~3.5μm，下一长矩形硅波导（9）与下二长矩形硅波导（10）之间的距离为1~1.5μm，下一长矩形硅波导（9）与下二长矩形硅波导（10）的尺寸参数相同，长度均为7~7.5μm，宽度均为1~1.5μm，厚度均为0.4~0.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种硅阵列结构的太赫兹波偏振分束器，其特征在于所述的右一长矩形硅波导（11）与右二长矩形硅波导（13）位于中央矩形硅波导（2）两侧，右一长矩形硅波导（11）与中央矩形硅波导（2）之间的距离为3~3.5μm，右二长矩形硅波导（13）与中央矩形硅波导（2）之间的距离为0.4~0.5μm，右一长矩形硅波导（11）与右二长矩形硅波导（13）的尺寸参数相同，长度均为11~13μm，宽度均为1~1.5μm，厚度为0.4~0.5μm。
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Application publication date: 20170215

Assignee: Xinchang China Metrology University Enterprise Innovation Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

Contract record no.: X2021330000071

Denomination of invention: Terahertz polarization beam splitter with silicon array structure

Granted publication date: 20190125

License type: Common License

Record date: 20210816

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Assignee: Xinchang China Metrology University Enterprise Innovation Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: China Jiliang University

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Date of cancellation: 20211231