CN107608026A - 基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器 - Google Patents

基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器 Download PDF

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本发明公开了一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器。它包括二氧化硅层、基底层、左端矩形波导、第一绝热椎体、直线多模波导、第二绝热椎体、蛇型多模波导、第三绝热椎体、右端矩形波导、信号输入端、信号输出端，当太赫兹波信号TM0从输入端输入时，直线多模波导实现TM0到TE1的偏振旋转，通过蛇型多模波导实现TE1到TE0的模式转换，中心波长的消光比和插入损耗分别为26.2dB和0.023dB；当信号TE0从输入端输入时，直线多模波导实现TE0到TM1的偏振旋转，通过蛇型多模波导实现TM1到TM0的模式转换，中心波长的消光比和插入损耗分别为28dB和0.02dB，实现了紧凑高效的偏振旋转器。本发明具有结构紧凑，单步蚀刻，制造简单，高效模式转换，操控方法灵活易实现等优点。

Description

基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器
技术领域
本发明涉及偏振旋转器，尤其涉及一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器。
背景技术
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。但随着太赫兹波辐射源与检测手段的突飞猛进，促使太赫兹相关功能器件的应用悄然兴起，因此太赫兹技术和太赫兹器件研究逐渐成为世界各国研究热点。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展的重要基础，更是科技发展的重大挑战和创新。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、医疗、成像、检测、安保等众多应用中，对太赫兹功分器、太赫兹波导、偏振旋转器、开关、偏振旋转器、滤波器等功能器件均有迫切需求。
太赫兹波偏振旋转器是一类重要的太赫兹波功能器件，是分集电路中关键元件之一，以实现TM模式和TE模式之间相互转换。近年来太赫兹波偏振旋转器备受国内外学者的关注，具有高效转换效率、低损耗、小型化和造艺简单的太赫兹偏振旋转器一直是广大太赫兹研究学者的研究热点和难点。然而现有的太赫兹波偏振旋转器一方面实现了高效转换和低损耗，却造成设计尺寸较大，另一方面实现结构紧凑，却是以制造复杂且插入损耗相对较高为代价，无法同时实现工艺简单，结构紧凑，高效转换和低损耗的太赫兹偏振旋转器。所以研究结构紧凑、偏振转换效率高、成本低、尺寸小，造艺简单的太赫兹波偏振旋转器意义重大。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构紧凑、易于制造、偏振转换效率高、损耗低和成本低的太赫兹波偏振旋转器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，包括二氧化硅层、基底层、左端矩形波导、第一绝热椎体、直线多模波导、第二绝热椎体、蛇型多模波导、第三绝热椎体、右端矩形波导、信号输入端、信号输出端；二氧化硅层的上层为基底层；基底层上面从左到右依次分布排列着左端矩形波导、第一绝热椎体、直线多模波导、第二绝热椎体、蛇型多模波导、第三绝热椎体、右端矩形波导；左端矩形波导与第一绝热椎体相连，第一绝热椎体与直线多模波导相连，直线多模波导与第二绝热椎体相连，第二绝热椎体与蛇型多模波导相连，蛇型多模波导与第三绝热椎体相连，第三绝热椎体与右端矩形波导相连，左端矩形波导的左端设有信号输入端，右端矩形波的右端设有信号输出端且左端矩形波导的左边界中心与旋转器的左边界中心重合，右端矩形波的右边界中心位于旋转器右边界中心上方147μm处；；太赫兹信号TM0从输入端输入，通过矩形波导、第一绝热椎体和与第二绝热锥体连接的直线波导后偏振旋转为TE1模式，然后使用蛇型多模波导将TE1模式转换为TE0模式，从信号输出端输出。太赫兹信号TE0或TM0从输入端输入，通过矩形波导、第一绝热椎体和与第二绝热锥体连接的直线波导后偏振旋转为TM1或TE1模式，然后使用蛇型多模波导将TM1或TE1模式转换为TM0或TE0模式从信号输出端输出。
所述的二氧化硅层的长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30mm；所述的基底层的材料为绝缘硅，长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30μm；所述的左端矩形波导和右端矩形波导的材料为高阻硅，长度500μm，宽度为40μm，厚度为150μm；所述的第一绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为40μm，下底为66μm，高为250μm；所述的直线多模波导的材料为高阻硅，长度为705μm，厚度为150μm，宽度为66μm；所述的第二绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为66μm，下底为120μm，高为300μm；所述的蛇型多模波导的材料为高阻硅，由两个角度为30°，内径为550μm，宽度为120μm的扇形反向连接而成；所述的第三绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为120μm，下底为40(μm)，高为300μm。
附图说明
图1是基于蛇型结构的太赫兹波偏振旋转器的三维结构示意图；
图2是基于蛇型结构的太赫兹波偏振旋转器的俯视图；
图3是基于蛇型结构的太赫兹波偏振旋转器输入信号为TM0时输出端输出功率曲线；
图4是基于蛇型结构的太赫兹波偏振旋转器输入信号为TE0时输出端输出功率曲线。
具体实施方式
如图1～2所示，一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器包括二氧化硅层1、基底层2、左端矩形波导3、第一绝热椎体4、直线多模波导5、第二绝热椎体6、蛇型多模波导7、第三绝热椎体8、右端矩形波导9、信号输入端10、信号输出端11；二氧化硅层1的上层为基底层2；基底层2上面从左到右依次分布排列着左端矩形波导3、第一绝热椎体4、直线多模波导5、第二绝热椎体6、蛇型多模波导7、第三绝热椎体8、右端矩形波导9；左端矩形波导3与第一绝热椎体4相连，第一绝热椎体4与直线多模波导5相连，直线多模波导5与第二绝热椎体6相连，第二绝热椎体6与蛇型多模波导7相连，蛇型多模波导7与第三绝热椎体8相连，第三绝热椎体8与右端矩形波导9相连，左端矩形波导的左端设有信号输入端，右端矩形波的右端设有信号输出端且左端矩形波导的左边界中心与旋转器的左边界中心重合，右端矩形波的右边界中心位于旋转器右边界中心上方147μm处；；太赫兹信号TM0从输入端10输入，通过矩形波导3、第一绝热椎体4和与第二绝热锥体6连接的直线波导5后偏振旋转为TE1模式，然后使用蛇型多模波导7将TE1模式转换为TE0模式，从信号输出端11输出。太赫兹信号TE0从输入端10输入，通过矩形波导3、第一绝热椎体4和与第二绝热锥体6连接的直线波导5后偏振旋转为TM1模式，然后使用蛇型多模波导7将TM1模式转换为TM0模式，从信号输出端11输出。
本发明具有结构紧凑，单步蚀刻，制造简单，高效模式转换，操控方法灵活易实现等优点。
所述的二氧化硅层1的长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30mm。所述的基底层2的材料为绝缘硅，长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30μm。所述的左端矩形波导3和右端矩形波导9的材料为高阻硅，长度500μm，宽度为40上m，厚度为150μm。所述的第一绝热椎体4的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为40μm，下底为66μm，高为250μm。所述的直线多模波导5的材料为高阻硅，长度为705μm，厚度为150μm，宽度为66μm。所述的第二绝热椎体6的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为66μm，下底为120μm，高为300μm。所述的蛇型多模波导7的材料为高阻硅，由两个角度为30°，内径为550μm，宽度为120μm的扇形反向连接而成。所述的第三绝热椎体8的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为120μm，下底为40μm，高为300μm。
实施例1
基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器：
本实施例中，基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件材料以及经过3D-FDTD优化后的具体参数如下：二氧化硅层的长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30mm。基底层的材料为绝缘硅，长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30μm。左端矩形波导和右端矩形波导的材料为高阻硅，长度500μm，宽度为40μm，厚度为150μm。第一绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为40μm，下底为66μm，高为250μm。直线多模波导的材料为高阻硅，长度为705μm，厚度为150μm，宽度为66μm。第二绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为66μm，下底为120μm，高为300μm。蛇型多模波导的材料为高阻硅，由两个角度为30°，内径为550μm，宽度为120μm的扇形反向连接而成。第三绝热椎体的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为120μm，下底为40μm，高为300μm。基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics和3D-FDTD软件进行模拟测试。如图3所示，太赫兹波信号TM0模式由输入端输入，通过直线多模波导实现TM0到TE1的偏振旋转，通过蛇型多模波导实现TE1到TE0模式转换，最后输出端口在1.74THz(波长为172μm)到1.92THz(波长为156μm)范围内TE0输出平均为-0.05dB，TM0输出平均为-26.2dB。如图4所示为太赫兹波信号TE0模式输入，通过直线多模波导实现TE0到TM1偏振旋转，通过蛇型多模波导实现TM1到TM0模式转换，最后输出端口在1.74THz到1.92THz范围内TM0输出平均为-0.04dB，TE0输出平均为-28dB。因此，本发明公开的蛇型太赫兹偏振旋转器可以通过现今先进的制造技术实现。

Claims (8)

1.一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于包括二氧化硅层(1)、基底层(2)、左端矩形波导(3)、第一绝热椎体(4)、直线多模波导(5)、第二绝热椎体(6)、蛇型多模波导(7)、第三绝热椎体(8)、右端矩形波导(9)、信号输入端(10)、信号输出端(11)；二氧化硅层(1)的上层为基底层(2)；基底层(2)上面从左到右依次分布排列着左端矩形波导(3)、第一绝热椎体(4)、直线多模波导(5)、第二绝热椎体(6)、蛇型多模波导(7)、第三绝热椎体(8)、右端矩形波导(9)；左端矩形波导(3)与第一绝热椎体(4)相连，第一绝热椎体(4)与直线多模波导(5)相连，直线多模波导(5)与第二绝热椎体(6)相连，第二绝热椎体(6)与蛇型多模波导(7)相连，蛇型多模波导(7)与第三绝热椎体(8)相连，第三绝热椎体(8)与右端矩形波导(9)相连，左端矩形波导(3)的左端设有信号输入端(10)，右端矩形波(9)的右端设有信号输出端(11)且左端矩形波导(3)的左边界中心与旋转器的左边界中心重合，右端矩形波(9)的右边界中心位于旋转器右边界中心上方147μm处；太赫兹信号TM0从输入端(10)输入，通过矩形波导(3)、第一绝热椎体(4)和与第二绝热锥体(6)连接的直线波导(5)后偏振旋转为TE1模式，然后使用蛇型多模波导(7)将TE1模式转换为TE0模式，从信号输出端(11)输出。太赫兹信号TE0或TM0从输入端(10)输入，通过矩形波导(3)、第一绝热椎体(4)和与第二绝热锥体(6)连接的直线波导(5)后偏振旋转为TM1或TE1模式，然后使用蛇型多模波导(7)将TM1或TE1模式转换为TM0或TE0模式从信号输出端(11)输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的二氧化硅层(1)的长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30mm，基底层(2)的材料为绝缘硅，长度为3.34mm，宽度为1.45mm，厚度为30μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的左端矩形波导(3)和右端矩形波导(9)的材料为高阻硅，长度500μm，宽度为40μm，厚度为150μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的第一绝热椎体(4)的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为40μm，下底为66μm，高为250μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的直线多模波导(5)的材料为高阻硅，长度为705μm，厚度为150μm，宽度为66μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的第二绝热椎体(6)的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为66μm，下底为120μm，高为300μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的蛇型多模波导(7)的材料为高阻硅，由两个角度为30°，内径为550μm，宽度为120μm的扇形反向连接而成。
8.根据权利要求1所述的一种基于蛇型结构的太赫兹偏振多模旋转器，其特征在于所述的第三绝热椎体(8)的材料为高阻硅，形状为等腰梯形，上底为120μm，下底为40μm，高为300μm。
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