CN106707412A - 一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，涉及一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；其结构体积小，稳定性强，光的耦合和传输效率高，加工技术成熟，可广泛应用于激光、非线性光学和太赫兹通讯领域。

Description

一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器

技术领域：

本发明属于光通信技术领域，涉及一种新型硅基光子晶体波导耦合器，特别是一种输入区带有提高耦合效率转换器的，并具有极好慢光效应、高效率稳定传输的，并且可实现多种功能的二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器。

背景技术：

太赫兹波(THz，10¹²赫兹)具有很多优点：它穿透性强，能够低损耗透过电介质及非极性物体，使得它能够对硅和陶瓷等非透明介质透视成像；太赫兹波是浓烟、沙尘等低可见度情况下成像的理想光源，在火灾救护、沙漠、雾霾天气等场合具有广泛的应用前景；太赫兹波的相对能量较低，不会产生光致电离，可放心应用于生物样品的检测和旅客的安检等方面；太赫兹波光谱分辨力强，可以传输许多不同的光谱信息；太赫兹波还具有瞬态性、宽带性及相干性，可以很好地抑制远红外背景噪声的干扰，为通信载体提供保障、实现超高的测量信噪比等优点。因此，太赫兹技术作为一种崭新的迅速成长的科学引起了很多领域的瞩目，尤其是在物理学、化学、天文学、环境科学、气体探测、生物医学检测、通信等学科领域展示出巨大的应用前景。

硅材料不仅对太赫兹透明，而且因为硅材料的相对折射率高(n＝3.5)，原料材料丰富，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染，市场接受程度高等因素，硅基的太赫兹波导被广泛采用。硅基的太赫兹频域光子晶体结构的另一优点是便于加工，现在硅结构加工的精度已达到20nm，而太赫兹的波长是300μm。现有硅基太赫兹频域的光子晶体波导结构有：多膜干涉波导、线缺陷波导、耦合腔波导、分束器、弯曲波导、定向耦合波导等等，这些波导结构对太赫兹的理论和应用研究起到了很重要的作用。

但是现有的硅基光子晶体波导研究，多集中在光子晶体波导结构本身的功能单元和结构设计，存在的主要问题有：一是关于输入区耦合效率转换器方面的研究很少，其实硅基太赫兹频域的光子晶体波导设计的首要问题是将自由空间的太赫兹波耦合进波导(或光纤)中传输，这是提高太赫兹系统效率和稳定性的基础。由于太赫兹波较难耦合进入光子晶体平板波导，许多研究结果显示，其最终的传输效率不到70％，有的研究其最终的传输损耗甚至超过了6dB；二是没有很好地利用光子晶体结构的慢光特性，将慢光特性和降低太赫兹波导(或光纤)的传输损耗、实现宽带信息传输等内容结合起来。很多研究注重了功分器、滤波器和光开关的功能设计，其理论和实验结果也优于传统的波导结构，但多数结构都只利用了光子晶体结构的禁带特性，不仅没有用到光子晶体慢光效应特性，也没有注意结构的优化会对太赫兹波传输产生的影响。因此，寻求一种新型二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，充分利用和优化光子晶体结构的禁带特性和慢光效应，在其输入区提高太赫兹波耦合进波导中的效率和稳定性；并在其传输过程利用光子晶体结构的禁带和慢光等特性，优化结构和参数，实现太赫兹波导的低损耗传输。而且其输出区根据不同需求能实现效率高、结构灵活、功能多样的太赫兹波输出。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种带有能提高耦合效率转换器的，并具有结构的光子禁带和慢光效应、实现高效率稳定传输的，结构灵活、功能多样的二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，该光子晶体波导耦合器转换效率高、结构稳定、便于加工和规模生产，将光子晶体的禁带特性、慢光特性等特点应用于光子晶体波导耦合器的设计和优化。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；二维硅基的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区的中间为输入区波导，输入区波导的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元，输入区渐变散射元每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元的上端和右侧均设有输入区不变散射元，渐变散射元和不变散射元的晶格常数相同，输入区波导的两侧每侧不变散射元不少于8排；相邻的输入区渐变散射元和相邻的输入区不变散射元之间均形成输入区散射元间隙，输入区波导的两侧右部对称式设有输入区耦合腔，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基的输入区耦合端口，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元的区域，进而进入输入区耦合微腔并在输入区耦合微腔中聚集，最终耦合到输入区波导中，提高传输效率；输入区波导的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；传输区的左右两端中间位置均设有传输区波导，两个传输区波导之间设有传输区耦合腔，传输区波导两侧均设有由圆弓形或椭圆形构成的传输区散射元，相邻的传输区散射元之间形成传输区散射元间隙；太赫兹波由输入区波导进入传输区后，在传输区波导传播，而不能在两侧的传输区散射元和传输区散射元间隙中传播；输出区的右侧设有输出端口，用于汇聚太赫兹波，输出区根据实际需要设有2-5个缺少一行散射元的输出区波导，以实现传输信号的转向和分束，相邻的输出区散射元之间形成输出区散射元间隙，进入输出区的太赫兹波只能在输出区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗。

本发明所述传输区为耦合腔波导类型或线性缺陷波导类型，传输区为耦合腔波导类型时，传输区耦合腔根据对慢光效应的需要设计为跟输入区耦合微腔相同或不同结构，个数为3-6个，此时太赫兹波只能通过传输区耦合腔和传输区波导传输；传输区为线缺陷波导类型时，没有传输区耦合腔，在输出区左侧设有输出区耦合腔，太赫兹波只通过传输区波导传输。

本发明所述输出区波导能根据不同需求实现不同的功能，包括分束器、弯曲波导或定向耦合波导。

本发明所述二维硅基采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为200-500μm，即为硅层厚度的1/5-2/3；太赫兹波源采用已有的市售产品。

本发明所述输入区、传输区和输出区三部分都进行了创新设计和模拟：(1)输入区是带有能提高耦合效率的转换器，用于将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进波导中，它可以看作为是特殊线缺陷与耦合腔波导组成的转换器，包括输入端口、圆弓形或椭圆形散射元、散射元间隙、耦合腔和波导等部分组成；(2)传输区为线缺陷波导或耦合腔波导，其慢光波导功能已经通过结构和参数设计得到优化，它包括散射元、散射元间隙、传输波导等部分，而传输波导又可以设计为线缺陷波导或耦合腔波导等不同形式；(3)输出区则根据不同需求，实现不同的功能，它可以是分束器、弯曲波导或不同比例耦合波导等，但其基本构建单元还是散射元、散射元间隙、输出波导等部分。

本发明所述输入区的输入功率损耗由公式(1)表示：

其中，L表述损耗，P_in是输入功率，P_out为输出功率，dB为分贝数，由于分贝与功率损耗是指数关系，即L＝10dB时，功率损耗已是90％，输出功率P_out表示为公式(2)：

P_out＝P_inexp(-L/10) (2)

由此可见，减少耦合器的功率损耗是十分重要的，为了用于将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进波导中，本发明设计了输入新型的端口，采用了渐变结构，设计了不同的光子晶体微腔，它们组成一种新型转换器，这一转换器的基本原理是：减少回波损耗，提高耦合功率。波源的太赫兹波通过光纤，到达耦合器的输入区口，但是由于光纤的芯径为200μm，数值孔径(NA)为0.2，泵浦光经聚焦后耦合到晶体中，泵浦光斑的半径也在100μm左右；除了可以增加反射镜外，结构本身的转换器做如下设计：(1)输入端口在约小于等于100μm的位置采用汇聚曲面，而在大于100μm的地方采用发散曲面，这样可以通过不同方式，实现汇聚太赫兹波的功能；(2)采用渐变波导结构，对于少部分没有进入波导的太赫兹波，允许其进入波导周围的波导结构，而不是统一采用有禁带的结构；(3)在渐变波导结构中的适当位置对称地增加耦合腔，汇聚其周围的太赫兹波，并最终将其耦合到传输波导中，这样，在输入区这段的耦合功率会迅速提高到较高的值，并稳定地进行在波导中传输。

本发明所述传输区具有慢光效应且为波导结构，既可采用与其它区相同的散射元，也可以采取独立的散射元，其基本特性是具有慢光作用，从而实现几乎无损耗的信号传输，传输波导可以设计为多种形式，但主要分为耦合腔波导结构和线缺陷波导结构两种基本形式：

(1)耦合腔波导结构：耦合腔波导是由散射元缺失和散射元偏转形成的多个高品质因数传输区耦合腔组成，通过参数调整，多个微腔形成慢光耦合波导结构，微腔孤立模式的衰减随指数衰减，由(3)式表示：

U(t)＝U₀exp(-αt) (3)

其中，U₀为腔内初始能量，U(t)表示以衰减因子α衰减后，t时刻微腔所对应的能量。群折射率n_g由公式(4)表示：

其中，ω是入射波(脉冲)的中心角频率，k＝2πn_eff/λ，n_eff是有效折射率，λ是工作频率的波长。由于群折射率与光的实际传播速度成反比，所以群折射率越大，微腔的聚集能量能力越大；实际应用中，群折射率时n_g≥500,微腔的品质因数就较大，能量传输效率也就较高；

(2)线缺陷波导结构：线缺陷波导是由光子晶体介质柱或空气孔构成的带有禁带和慢光效应结构的周期性排列，其慢光效应由散射元、波导近侧结构、波导宽度等因素决定，具体参数计算依据公式(4)决定；与耦合腔波导不同的是，线缺陷波导结构可以实现宽带、低群速、低色散、低损耗传输，只是其群折射率相对较小，因此群速度相对较大，其结构通过设计和优化可广泛用于光缓存的全光通信系统和全光信息处理的应用中；无论是耦合腔波导结构，还是线缺陷波导结构，它们都在二维硅片结构的中心，是二维硅片的表面上沿硅片长边的方向顺序排列，以二维硅片中心线为对称轴的7-12排轴对称圆弓形或椭圆散射元，在二维硅片中间部分则是留有耦合腔波导或线缺陷的区域；除波导结构外，散射元的中心在硅面呈四边或六边形排列，四边或六边形边长等于晶格常数a，其取值由工作波长和结构禁带图获得。

本发明所述输出区根据不同需求实现不同的功能需求，从波导性质上说，它可以只是具有禁带性质的波导，也可以带有禁带性质和慢光效应的波导；从波导功能上说，它可以是不同形状的分支功分器、多模干涉耦合波导或定向耦合波导等，但其基本构建单元还是散射元、散射元间隙、输出波导等部分，输出端口也可以采用相应的曲面实现汇聚太赫兹波的功能。

本发明的输入区、传输区和输出区三部分相互配合，波源发出的太赫兹波通过光纤，到达耦合器的输入区后，输入区会将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进传输区波导中；传输区无论是线缺陷波导或耦合腔波导，都具有慢光波导的功能，可以实现太赫兹的低损耗传输；输出区则根据不同需求，实现结构灵活、功能多样的太赫兹波输出。

本发明采用圆弓形或椭圆散射元，通过大量模拟计算，创新设计的太赫兹频域的二维硅基光子晶体波导耦合器，主要分输入区、传输区和输出区三个区，其中输入区设计有能提高耦合效率的转换器，用于将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进波导中；传输区利用光子晶体结构的禁带和慢光等特性，对结构设计和参数进行优化，实现极低损耗和极低群速的太赫兹波传输；输出区则根据不同需求，实现结构灵活、功能多样的太赫兹波输出。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是综合考虑了提高耦合波导结构效率的方法，特别是输入区的耦合效率；二是依据不同的慢光机理，对波导结构创新设计和优化，很好地利用光子晶体结构的禁带和慢光特性，将降低太赫兹波导的传输损耗和实现多功能信息传输结合起来；三是设计的结构不仅规整，而且可以灵活多变，适应分束、定向耦合等不同需求，可广泛应用于激光、非线性光学和太赫兹通讯等领域；四是所采用的结构体积小、稳定性强、光的耦合和传输效率高，加工技术成熟等，这些特点使其成为新一代最有潜力、低成本、高效的实用性太赫兹波导器件。

附图说明：

图1为本发明实施例1的主体结构原理示意图。

图2为本发明实施例1中微腔的慢光曲线图，其中(1)为波数与归一化频率曲线；(2)为归一化频率与群折射率曲线。

图3为本发明实施例1中传输功率曲线图。

图4为本发明实施例2的主体结构原理示意图。

图5为本发明实施例2中微腔的慢光曲线图，其中(1)为波数与归一化频率曲线；(2)为归一化频率与群折射率曲线。

图6为本发明实施例2中传输功率曲线图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

本实施例涉及的光子晶体波导耦合器包括输入区I、传输区II和输出区III，其中输入区I包括二维硅基1、输入区耦合端口2、输入区渐变散射元3、输入区不变散射元4、输入区散射元间隙5、输入区耦合微腔6和输入区波导7，传输区II包括传输区散射元8、传输区散射元间隙9、传输区耦合腔10和传输区波导11，输出区III包括输出区散射元12、输出区散射元间隙13、输出区波导14和输出端口15；二维硅基1的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区I的中间为输入区波导7，输入区波导7的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元3，输入区渐变散射元3每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元3的上端和右侧均设有输入区不变散射元4，渐变散 射元3和不变散射元4的晶格常数相同，输入区波导7的两侧每侧不变散射元4不少于8排；相邻的输入区渐变散射元3和相邻的输入区不变散射元4之间均形成输入区散射元间隙5，输入区波导7的两侧右部对称式设有输入区耦合腔6，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基1的输入区耦合端口2，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导7向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元3的区域，进而进入输入区耦合微腔6并在输入区耦合微腔6中聚集，最终耦合到输入区波导7中，提高传输效率；输入区波导7的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；传输区II的左右两端中间位置均设有传输区波导11，两个传输区波导11之间设有传输区耦合腔10，传输区波导11两侧均设有由圆弓形或椭圆形构成的传输区散射元8，相邻的传输区散射元8之间形成传输区散射元间隙9；太赫兹波由输入区波导7进入传输区II后，在传输区波导11传播，而不能在两侧的传输区散射元8和传输区散射元间隙9中传播；输出区III的右侧设有输出端口15，用于汇聚太赫兹波，输出区III根据实际需要设有2-5个缺少一行散射元的输出区波导14，以实现传输信号的转向和分束，相邻的输出区散射元12之间形成输出区散射元间隙13，进入输出区III的太赫兹波只能在输出区波导14传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗。

本实施例所述传输区II为耦合腔波导类型或线性缺陷波导类型，传输区II为耦合腔波导类型时，传输区耦合腔10根据对慢光效应的需要设计为跟输入区耦合微腔6相同或不同结构，个数为3-6个，此时太赫兹波只能通过传输区耦合腔10和传输区波导11传输，见附图1；传输区II为线缺陷波导类型时，没有传输区耦合腔10，在输出区III左侧设有输出区耦合腔16，太赫兹波只能通过在传输区波导11传输，见附图4。

本实施例所述输出区波导14能根据不同需求实现不同的功能，包括分束器、弯曲波导或定向耦合波导。

本实施例所述二维硅基1采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为200-500μm，即为硅层厚度的1/5-2/3；太赫兹源采用已有的市售产品。

实施例1：基于(3+1+3)微腔组成的四边形排列耦合腔太赫兹波导

本实施例所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器的结构如图1所示，外接波源发出的太赫兹波频率f＝1THz＝10¹²Hz，其波长为λ＝300μm，波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基1的输入区耦合端口2，二维硅基1采用厚度为700μm的二维硅片，由于光子晶体平板是硅片构成的，取介质柱的介电常数n＝3.50,空气介电常数为n₀＝1.0，二维硅基1中所有散射元均为圆弓形散射元，其加工深度为200-500μm；输入区耦合端口2与输入区波导7对应的位置为凸面，凸面焦距等于λ/2＝150μm，凸曲面长度d₁为110-120μm(略大于泵浦光斑的半径100μm)，与凸面相连的、其外侧是凹面，凹面半径是300μm，凹曲面长度d₂＝(300-d₁)μm，太赫兹波的主要部分由凸面汇聚后，进入输入区波导7向前传输，输入区波导7的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；输入区渐变散射元3和输入区不变散射元4均为圆弓形散射元，呈四边形排列，其边长相同，都等于晶格常数a，其取值可由工作波长和结构禁带图获得：在归一化频率为0.22474时，其群折射率最大值，此时a＝0.22474λ＝67.42μm(加工范围在67.410-67.434μm之间，加工精度为20nm，下面数值可以此类推)，输入区渐变散射元3的长轴半径最大值b＝0.4a＝26.97μm，短轴半径最大值c＝2b/3＝17.98μm，输入区不变散射元4是输入区渐变散射元3取最大值的时候，分布在结构外层，对太赫兹波构成完全禁带，每侧不变散射元4最好也不少于8排。

本实施例采用a＝67.42μm，e＝c/b＝2/3，在a、e值保持不变前提下，b和c以0.05倍的步长，逐渐减少，渐变散射元3每侧不少于6排，每行个数不少于8个；渐变散射元3由渐变圆弓形构成，对太赫兹波不构成完全禁带，因此有小部分波由凹面进入输入区有渐变散射元3和部分输入区散射元间隙5的区域，进而进入输入区耦合微腔6，输入区微腔6由缺少了(3+1+3)个散射元的微腔组成，太赫兹波可以在输入区耦合微腔6中聚集，并最终耦合到输入区波导7中；太赫兹波由输入区波导7进入传输区II后，不能在两侧的传输区散射元8和传输区散射元间隙9中传播，由于传输区是耦合腔波导类型，太赫兹波只能通过传输区耦合腔10在传输区波导11传播；为了制作方便，取传输区散射元8与输入区不变散射元4相同，其晶格常数为a＝67.42μm，长轴半径b＝0.4a＝26.97μm，短轴半径c＝2b/3＝17.98μm，本实施中的传输区耦合腔10的设计与输入区耦合微腔6相同，由缺少了(3+1+3)个散射元的微腔组成，个数为3-6个。

本实施例的输出区III为分束器，包括输出区散射元12、输出区散射元间隙13、输出区波导14，输出区散射元12、输出区散射元间隙13可与传输区散射元8和传输区散射元间隙9相同，输出区波导14是缺少一行散射元的3个通道线缺陷波导(也可以两个或更多个)，以实现传输信号的转向和分束等功能；各输出端口15也可以采用相应的曲面，凸曲面长度d₃为110-120μm(略大于泵浦光斑的半径100μm)，与凸面相连的、其外侧是凹面，凹面半径是300μm，凹曲面长度d₄＝(300-d₃)μm以实现汇聚太赫兹波的功能，而且该区域波导充分利用光子晶体的禁带特性，使太赫兹波只能在输出区波导14传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗；同样，为了实现太赫兹波的有效输出，输出端口15也是中间凸面、外侧凹面的结构，可与输入区耦合端口2相同，也可以略微不同。

本实施例中微腔的慢光曲线如图2所示，其中(1)是波数与归一化频率曲线，横坐标是波数，纵坐标是归一化频率，可见归一化频率在0.2240-0.2250范围有一个较平坦的马鞍形，其两侧的斜率是相反的；(2)是归一化频率与群折射率曲线，横坐标是归一化频率，纵坐标是群折射率；由图2可见，归一化频率在0.22470-0.22478范围(晶格常数在67.410-67.434μm之间)，群折射率都超过了500，而其极大值更是可达到5.7*10⁴，是一极其理想的结构。

本实施例的传输功率曲线如图3所示，横坐标是位置，纵坐标是传输效率，由图3可见，由于输入端口增加了汇聚和发散的曲面，进入输入区太赫兹的效率就达到72％，通过输入区耦合腔波导耦合后，其效率就可超过81％，而通过传输区三个耦合腔波导耦合后效率就超过了90％，相对于很多传统波导的传输效率达不到70％，这是一个很大的提高。

实施例2：基于(1+1)微腔组成的六边形排列不完全对称太赫兹波导

本实施例所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器的结构如图2所示，其中传输区II为线缺陷波导，没有传输区耦合腔10，但在输出区III有输出区耦合腔16，输出区III上下两侧的两个输出区波导14传输效率不同，设外接波源发出的太赫兹波频率是f＝1THz＝10¹²Hz，则其波长为λ＝300μm，波源发出的太赫兹波由光纤首先到达二维硅基1的输入区耦合端口2，二维硅基1采用厚度为700μm的二维硅片，由于光子晶体平板是硅片构成的，取介质柱的介电常数n＝3.50,空气介电常数为n₀＝1.0，二维硅基1中所有散射元都是椭圆形散射元，其加工深度为200-500μm；输入区耦合端口2与输入区波导7对应的位置是一凸面，凸面焦距等于λ/2＝150μm，凸曲面长度d’₁为110-120μm(略大于泵浦光斑的半径100μm)，与凸面相连的、其外侧是凹面，凹面半径是300μm，凹曲面长度d’₂＝(300-d’₁)μm，太赫兹波的主要部分由凸面汇聚后，进入输入区波导7向前传输，输入区波导7的宽度可调，为晶格常数的1-4倍。

本实施例涉及的输入区渐变散射元3和输入区不变散射元4均为椭圆形、呈六边形排列，且其边长相同，边长都等于晶格常数a，其取值可由工作波长和结构禁带图获得：a＝0.21312λ＝63.94μm(加工精度在63.921-63.951μm之间，加工精度为20nm，下面数值可以此类推)，输入区渐变散射元3的长轴半径最大值b＝0.4a＝22.57μm，短轴半径最大值c＝0.5a＝12.79μm，输入区不变散射元4是输入区渐变散射元3取最大值的时候，分布在结构外层，对太赫兹波构成完全禁带，每侧不变散射元4最好也不少于8排；设a＝63.94μm、e＝c/b＝0.5,在a、e值保持不变前提下，b和c以0.05倍的步长，逐渐减少，渐变散射元3每侧不少于8排，每行个数不少于9个；渐变散射元3由椭圆散射元构成，对太赫兹波不构成完全禁带，也有小部分波由凹面进入输入区有渐变散射元3和部分输入区散射元间隙5的区域，进而进入输入区耦合微腔6，输入区微腔6是由缺少了(1+1)个散射元的平行四边形微腔组成，太赫兹波可以在输入区耦合微腔6中聚集，并最终耦合到输入区波导7中，输入区不变散射元4是输入区渐变散射元3取最大值时，分布在结构外层，对太赫兹波构成完全禁带，每侧不变散射元4不少于8排，太赫兹波由输入区波导7进入传输区II后，不能在两侧的传输区散射元8和传输区散射元间隙9中传播，由于传输区是线缺陷波导类型，太赫兹波只能通过传输区波导11传播，而传输区散射元8也由圆弓形构成，其晶格常数为a＝0.21312λ＝63.94μm，散射元的长轴半径b＝0.4a＝22.57μm，短轴c＝0.5a＝12.79μm。为了获得理想的慢光相应，传输区散射元8在靠近传输区波导10的两排，可以沿波导方向做些位移，以增强慢光效应。

本实施例所述输出区III为波导不对称的分束器，它包括输出区散射元12、输出区散射元间隙13、输出区波导14、输出端口15和定向耦合微腔16，输出区散射元11、输出区散射元间隙12可与传输区散射元8和传输区散射元间隙9相同，该区域波导充分利用光子晶体的禁带特性，使太赫兹波只能在输出区波导14传输(该实施例波导为2个通道，也可以多个)，而不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗；定向耦合微腔16可以与实施例1中的传输区耦合腔10相同，由缺少了(1+1)个散射元的平行四边形微腔组成，也可以与传输区耦合腔10不同。

本实施例由于定向耦合微腔16只有一个，使得距离它近的输出区III上侧输出区波导14中的信号强度增大，而距离它远的输出区III下侧输出区波导14中的信号强度减少，从而实现转向和不均等分束等功能，信号弱的输出区III下侧输出区波导14可作为检验和抽样信号源。

本实施例的输出端口15采用与输入区耦合端口2相应的曲面，凸曲面长度d’₃为110-120μm(略大于泵浦光斑的半径100μm)，与凸面相连的、其外侧是凹面，凹面半径是300μm，凹曲面长度d’₄为(300-d’₃)μm以实现汇聚太赫兹波的功能。

本实施例中微腔的慢光曲线如图5所示，其中(1)是波数与归一化频率曲线，横坐标是波数，纵坐标是归一化频率，可见归一化频率在0.2130-0.2132范围有一个较平坦的马鞍形，其两侧的斜率是相反的；(2)是归一化频率与群折射率曲线，横坐标是归一化频率，纵坐标是群折射率；由图5可见，归一化频率在0.21307-0.21317范围(晶格常数在63.921-63.951μm之间)，群折射率都超过了500，而其极大值可达到3.6*10⁴，也是一极理想的结构。

本实施例所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器传输功率曲线如图6所示，横坐标是位置，纵坐标是传输效率，由图中可以看出，由于输入端口增加了汇聚和发散的曲面，进入输入区太赫兹的效率就达到72％，通过输入区耦合腔波导耦合后，其效率就可超过80％，相对于很多传统波导的传输效率达不到70％，这也是一很大的提高；而且定向耦合微腔16则对两个输出区波导14的功率输出起到重新分配的作用：没有定向耦合微腔16，两个输出区波导14的输出功率几乎相同；有了定向耦合微腔16，随着它位置的改变，输出区III上侧的输出区波导13输出功率占总功率的比例可以是75％，也可以达到90％以上，从而灵活地调节两个输出区波导14的输出功率，使两个输出区波导14实现不同的功能。

Claims (4)

1.一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；二维硅基的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区的中间为输入区波导，输入区波导的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元，输入区渐变散射元每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元的上端和右侧均设有输入区不变散射元，渐变散射元和不变散射元的晶格常数相同，输入区波导的两侧每侧不变散射元不少于8排；相邻的输入区渐变散射元和相邻的输入区不变散射元之间均形成输入区散射元间隙，输入区波导的两侧右部对称式设有输入区耦合腔，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基的输入区耦合端口，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元的区域，进而进入输入区耦合微腔并在输入区耦合微腔中聚集，最终耦合到输入区波导中，提高传输效率；输入区波导的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；传输区的左右两端中间位置均设有传输区波导，两个传输区波导之间设有传输区耦合腔，传输区波导两侧均设有由圆弓形或椭圆形构成的传输区散射元，相邻的传输区散射元之间形成传输区散射元间隙；太赫兹波由输入区波导进入传输区后，在传输区波导传播，而不能在两侧的传输区散射元和传输区散射元间隙中传播；输出区的右侧设有输出端口，用于汇聚太赫兹波，输出区根据实际需要设有2-5个缺少一行散射元的输出区波导，以实现传输信号的转向和分束，相邻的输出区散射元之间形成输出区散射元间隙，进入输出区的太赫兹波只能在输出区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗。

2.根据权利要求1所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于所述传输区为耦合腔波导类型或线性缺陷波导类型，传输区为耦合腔波导类型时，传输区耦合腔根据对慢光效应的需要设计为跟输入区耦合微腔相同或不同结构，个数为3-6个，此时太赫兹波能通过传输区耦合腔和传输区波导传输；传输区为线缺陷波导类型时，没有传输区耦合腔，在输出区左侧设有输出区耦合腔，太赫兹波只通过传输区波导传输。

3.根据权利要求1所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于所述输出区波导包括分束器、弯曲波导或定向耦合波导。

4.根据权利要求1所述二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于所述二维硅基采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为200-500μm，即为硅层厚度的1/5-2/3；太赫兹波的波源采用市售产品。