CN107515440B - 本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器。它包括砷化镓层、砷化镓输入波导、砷化镓第一锥形波导、砷化镓多模干涉波导、砷化镓第二锥形波导、砷化镓定向耦合波导、砷化镓第三锥形波导、砷化镓第一弧形波导、砷化镓第二弧形波导、砷化镓第三弧形波导、砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导，当输入TE偏振模式的太赫兹波时，太赫兹波直接从砷化镓第二输出波导输出，没有发生偏振模式转换，当输入TM偏振模式的太赫兹波时，太赫兹波经过砷化镓多模干涉波导转换为TE偏振模式，经砷化镓定向耦合波导耦合从砷化镓第一输出波导输出，从而实现太赫兹波单偏振输出的功能。本发明具有结构新颖，高消光比，超宽带等优点。

Description

本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器
技术领域
本发明涉及太赫兹波单偏振输出器，尤其涉及一种本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率介于0.1～10THz(波长30～3mm)之间的电磁波，位于电磁波谱中的微波与可见光波之间。过去由于太赫兹波的产生和探测较为困难，人们对这一波段的特性知之甚少。近年来，随着太赫兹源和探测技术的逐步成熟，太赫兹技术取得了快速的发展，在通信、成像、医药、生物、化学等领域展现出巨大的应用价值。作为太赫兹应用系统中的重要组成部分，太赫兹调制器、隔离器、偏振控制器、传感器等功能器件必不可少。设计制备性能优良，使用方便的太赫兹功能器件是当今太赫兹研究领域的一大热点。
如果将太赫兹用于通信方面，我们可获得很高的传输速率。尤其是在卫星通信领域。这就使得太赫兹通信能够非常宽的带宽进行高保密卫星通信。尽管由于高效的太赫兹发射源的缺乏，使其还不能在通信领域得商业化，但新型的发射装置和发射源的实现必将打破这一局限。太赫兹波单偏振输出器是太赫兹通信和成像系统的重要功能部件之一，太赫兹波单偏振输出器的深入研究对太赫兹科学和技术的应用具有深远意义。随着太赫兹波单偏振输出器研究的不断深入，近年来陆续提出的本征砷化镓波导结构太赫兹波单偏振输出器的具体实现结构，很大程度上促进了应用于太赫兹波段的单偏振输出器的研究。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构新颖的本征砷化镓波导结构太赫兹波单偏振输出器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器包括砷化镓层、砷化镓输入波导、砷化镓第一锥形波导、砷化镓多模干涉波导、砷化镓第二锥形波导、砷化镓定向耦合波导、砷化镓第三锥形波导、砷化镓第一弧形波导、砷化镓第二弧形波导、砷化镓第三弧形波导、砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导；砷化镓层上刻蚀有砷化镓输入波导、砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导、砷化镓第一锥形波导、砷化镓多模干涉波导、砷化镓第二锥形波导、砷化镓定向耦合波导、砷化镓第三锥形波导、砷化镓第一弧形波导、砷化镓第二弧形波导、砷化镓第三弧形波导，砷化镓输入波导的右端与砷化镓第一锥形波导的左端相连，砷化镓第一锥形波导的右端与砷化镓多模干涉波导的左端相连，砷化镓第二锥形波导的左端与砷化镓多模干涉波导的右端相连，砷化镓定向耦合波导的左端与砷化镓第二锥形波导的右端相连，砷化镓第三锥形波导的左端与砷化镓定向耦合波导的右端相连，砷化镓第二弧形波导的左端与砷化镓第三锥形波导的右端相连，砷化镓第二输出波导的左端与砷化镓第二弧形波导的右端相连，砷化镓第二弧形波导的下方是砷化镓第一弧形波导，砷化镓第二弧形波导的上方砷化镓是第三弧形波导，砷化镓第三弧形波导的右端与砷化镓第一输出波导的左端相连，砷化镓输入波导的左端与砷化镓层的左端相连，砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导的右端与砷化镓层的右端相连，当TE偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导输入时，太赫兹波直接从砷化镓第二输出波导输出，没有发生偏振模式转换，当TM偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导输入时，太赫兹波经过砷化镓多模干涉波导转换为TE偏振模式，经砷化镓定向耦合波导耦合从砷化镓第一输出波导输出，从而实现太赫兹波单偏振输出的功能。
所述的砷化镓层的长度为850～860μm，宽度为160～170μm，厚度为30～50μm。所述的砷化镓输入波导的长度为50～60μm。所述的砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导的宽度与砷化镓输入波导的宽度相同，均为30～50μm。所述的砷化镓第一锥形波导的长度为55～65μm，砷化镓第二锥形波导的长度为30～40μm，砷化镓第三锥形波导的长度为40～50μm。所述的砷化镓多模干涉波导的长度为150～160μm，宽度为40～60μm。所述的砷化镓定向耦合波导的长度为200～210μm，宽度为50～70μm。所述的砷化镓第一弧形波导的外径为120～130μm，角度θ1为14～16°，砷化镓第二弧形波导的外径为140～150μm，角度θ2为12～14°，砷化镓第三弧形波导的外径为160～170μm，角度θ3为16～18°，砷化镓第一弧形波导、砷化镓第二弧形波导和砷化镓第三弧形波导的宽度均为30～50μm。所述的砷化镓定向耦合波导与砷化镓第一输出波导的耦合间距为10～20μm，砷化镓第一弧形波导与砷化镓第二弧形波导的耦合间距为10～20μm。
附图说明
图1是本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器二维结构示意图；
图2是本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器第二输出波导4的输出功率图；
图3是本征砷化镓波导结构太赫兹波单偏振输出器第一输出波导3的输出功率图。
具体实施方式
如图1所示，本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器包括砷化镓层1、砷化镓输入波导2、砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4、砷化镓第一锥形波导5、砷化镓多模干涉波导6、砷化镓第二锥形波导7、砷化镓定向耦合波导8、砷化镓第三锥形波导9、砷化镓第一弧形波导10、砷化镓第二弧形波导11、砷化镓第三弧形波导12；砷化镓层1上刻蚀有砷化镓输入波导2、砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4、砷化镓第一锥形波导5、砷化镓多模干涉波导6、砷化镓第二锥形波导7、砷化镓定向耦合波导8、砷化镓第三锥形波导9、砷化镓第一弧形波导10、砷化镓第二弧形波导11、砷化镓第三弧形波导12，砷化镓输入波导2的右端与砷化镓第一锥形波导5的左端相连，砷化镓第一锥形波导5的右端与砷化镓多模干涉波导6的左端相连，砷化镓第二锥形波导7的左端与砷化镓多模干涉波导6的右端相连，砷化镓定向耦合波导8的左端与砷化镓第二锥形波导7的右端相连，砷化镓第三锥形波导9的左端与砷化镓定向耦合波导8的右端相连，砷化镓第二弧形波导11的左端与砷化镓第三锥形波导9的右端相连，砷化镓第二输出波导4的左端与砷化镓第二弧形波导11的右端相连，砷化镓第二弧形波导11的下方是砷化镓第一弧形波导10，砷化镓第二弧形波导11的上方是砷化镓第三弧形波导12，砷化镓第三弧形波导12的右端与砷化镓第一输出波导3的左端相连，砷化镓输入波导2的左端与砷化镓层1的左端相连，砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4的右端与砷化镓层1的右端相连；当TE偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导2输入时，太赫兹波直接从砷化镓第二输出波导4输出，没有发生偏振模式转换，当TM偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导2输入时，太赫兹波经过砷化镓多模干涉波导6转换为TE偏振模式，经砷化镓定向耦合波导8耦合从砷化镓第一输出波导3输出，从而实现太赫兹波单偏振输出的功能。
所述的砷化镓层1的长度为850～860μm，宽度为160～170μm，厚度为30～50μm。所述的砷化镓输入波导2的长度为50～60μm。所述的砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4的宽度与砷化镓输入波导2的宽度相同，均为30～50μm。所述的砷化镓第一锥形波导5的长度为55～65μm，砷化镓第二锥形波导7的长度为30～40μm，砷化镓第三锥形波导9的长度为40～50μm。所述的砷化镓多模干涉波导6的长度为150～160μm，宽度为40～60μm。所述的砷化镓定向耦合波导8的长度为200～210μm，宽度为50～70μm。所述的砷化镓第一弧形波导10的外径为120～130μm，角度θ1为14～16°，砷化镓第二弧形波导11的外径为140～150μm，角度θ2为12～14°，砷化镓第三弧形波导12的外径为160～170μm，角度θ3为16～18°，砷化镓第一弧形波导10、砷化镓第二弧形波导11和砷化镓第三弧形波导12的宽度均为30～50μm。所述的砷化镓定向耦合波导8与砷化镓第一输出波导3的耦合间距为10～20μm，砷化镓第一弧形波导10与砷化镓第二弧形波导11的耦合间距为10～20μm。
实施例1
本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器：
如图1所示，本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器包括砷化镓层1、砷化镓输入波导2、砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4、砷化镓第一锥形波导5、砷化镓多模干涉波导6、砷化镓第二锥形波导7、砷化镓定向耦合波导8、砷化镓第三锥形波导9、砷化镓第一弧形波导10、砷化镓第二弧形波导11、砷化镓第三弧形波导12；砷化镓层1上刻蚀有砷化镓输入波导2、砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4、砷化镓第一锥形波导5、砷化镓多模干涉波导6、砷化镓第二锥形波导7、砷化镓定向耦合波导8、砷化镓第三锥形波导9、砷化镓第一弧形波导10、砷化镓第二弧形波导11、砷化镓第三弧形波导12，砷化镓输入波导2的右端与砷化镓第一锥形波导5的左端相连，砷化镓第一锥形波导5的右端与砷化镓多模干涉波导6的左端相连，砷化镓第二锥形波导7的左端与砷化镓多模干涉波导6的右端相连，砷化镓定向耦合波导8的左端与砷化镓第二锥形波导7的右端相连，砷化镓第三锥形波导9的左端与砷化镓定向耦合波导8的右端相连，砷化镓第二弧形波导11的左端与砷化镓第三锥形波导9的右端相连，砷化镓第二输出波导4的左端与砷化镓第二弧形波导11的右端相连，砷化镓第二弧形波导11的下方是砷化镓第一弧形波导10，砷化镓第二弧形波导11的上方是砷化镓第三弧形波导12，砷化镓第三弧形波导12的右端与砷化镓第一输出波导3的左端相连，砷化镓输入波导2的左端与砷化镓层1的左端相连，砷化镓第一输出波导3、砷化镓第二输出波导4的右端与砷化镓层1的右端相连；当TE偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导2输入时，太赫兹波直接从砷化镓第二输出波导4输出，没有发生偏振模式转换，当TM偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导2输入时，太赫兹波经过砷化镓多模干涉波导6转换为TE偏振模式，经砷化镓定向耦合波导8耦合从砷化镓第一输出波导3输出，从而实现太赫兹波单偏振输出的功能。
砷化镓层的长度为850μm，宽度为160μm，厚度为30μm。砷化镓输入波导的长度为50μm。砷化镓第一输出波导、砷化镓第二输出波导的宽度与砷化镓输入波导的宽度相同，均为30μm。砷化镓第一锥形波导的长度为55μm，砷化镓第二锥形波导的长度为30μm，砷化镓第三锥形波导的长度为40μm。砷化镓多模干涉波导的长度为150μm，宽度为40μm。砷化镓定向耦合波导的长度为200μm，宽度为50μm。砷化镓第一弧形波导的外径为120μm，角度θ1为14°，砷化镓第二弧形波导的外径为140μm，角度θ2为12°，砷化镓第三弧形波导的外径为160μm，角度θ3为16°，砷化镓第一弧形波导、砷化镓第二弧形波导和砷化镓第三弧形波导的宽度为30μm。砷化镓定向耦合波导与砷化镓第一输出波导的耦合间距为10μm，砷化镓第一弧形波导与砷化镓第二弧形波导的耦合间距为10μm。本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器的各项性能指标采用3D FDTD测试。当输入波导2为TE偏振输入时，第二输出波导4的输出如图2所示，在0.85THz到1.05THz的频率范围内，输出端口TE大于-0.05dB，TM小于-31.7dB；当输入波导2为TM偏振输入时，第一输出波导3的输出如图3所示，在0.85THz到1.05THz的频率范围内，输出端口TE大于-0.02dB，TM小于-25.4dB。

Claims (1)

1.一种本征砷化镓波导结构的太赫兹波单偏振输出器，其特征在于包括砷化镓层（1）、砷化镓输入波导（2）、砷化镓第一输出波导（3）、砷化镓第二输出波导（4）、砷化镓第一锥形波导（5）、砷化镓多模干涉波导（6）、砷化镓第二锥形波导（7）、砷化镓定向耦合波导（8）、砷化镓第三锥形波导（9）、砷化镓第一弧形波导（10）、砷化镓第二弧形波导（11）、砷化镓第三弧形波导（12）；砷化镓层（1）上刻蚀有砷化镓输入波导（2）、砷化镓第一输出波导（3）、砷化镓第二输出波导（4）、砷化镓第一锥形波导（5）、砷化镓多模干涉波导（6）、砷化镓第二锥形波导（7）、砷化镓定向耦合波导（8）、砷化镓第三锥形波导（9）、砷化镓第一弧形波导（10）、砷化镓第二弧形波导（11）、砷化镓第三弧形波导（12），砷化镓输入波导（2）的右端与砷化镓第一锥形波导（5）的左端相连，砷化镓第一锥形波导（5）的右端与砷化镓多模干涉波导（6）的左端相连，砷化镓第二锥形波导（7）的左端与砷化镓多模干涉波导（6）的右端相连，砷化镓定向耦合波导（8）的左端与砷化镓第二锥形波导（7）的右端相连，砷化镓第三锥形波导（9）的左端与砷化镓定向耦合波导（8）的右端相连，砷化镓第二弧形波导（11）的左端与砷化镓第三锥形波导（9）的右端相连，砷化镓第二输出波导（4）的左端与砷化镓第二弧形波导（11）的右端相连，砷化镓第二弧形波导（11）的下方是砷化镓第一弧形波导（10），砷化镓第二弧形波导（11）的上方是砷化镓第三弧形波导（12），砷化镓第三弧形波导（12）的右端与砷化镓第一输出波导（3）的左端相连，砷化镓输入波导（2）的左端与砷化镓层（1）的左端相连，砷化镓第一输出波导（3）、砷化镓第二输出波导（4）的右端与砷化镓层（1）的右端相连，当TE偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导（2）输入时，太赫兹波直接从砷化镓第二输出波导（4）输出，没有发生偏振模式转换，当TM偏振模式的太赫兹波从砷化镓输入波导（2）输入时，太赫兹波经过砷化镓多模干涉波导（6）转换为TE偏振模式，经砷化镓定向耦合波导（8）耦合从砷化镓第一输出波导（3）输出；
所述的砷化镓层（1）的长度为850~860μm，宽度为160~170μm，厚度为30~50μm；所述的砷化镓输入波导（2）的长度为50~60μm；所述的砷化镓第一输出波导（3）、砷化镓第二输出波导（4）的宽度与砷化镓输入波导（2）的宽度相同，均为30~50μm；所述的砷化镓第一锥形波导（5）的长度为55~65μm，砷化镓第二锥形波导（7）的长度为30~40μm，砷化镓第三锥形波导（9）的长度为40~50μm；所述的砷化镓多模干涉波导（6）的长度为150~160μm，宽度为40~60μm；所述的砷化镓定向耦合波导（8）的长度为200~210μm，宽度为50~70μm；所述的砷化镓第一弧形波导（10）的外径为120~130μm，角度θ1为14~16°，砷化镓第二弧形波导（11）的外径为140~150μm，角度θ2为12~14°，砷化镓第三弧形波导（12）的外径为160~170μm，角度θ3为16~18°，砷化镓第一弧形波导（10）、砷化镓第二弧形波导（11）和砷化镓第三弧形波导（12）的宽度均为30~50μm；所述的砷化镓定向耦合波导（8）与砷化镓第一输出波导（3）的耦合间距为10~20μm，砷化镓第一弧形波导（10）与砷化镓第二弧形波导（11）的耦合间距为10~20μm。
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