CN107703583B - 太赫兹波双模偏振功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波双模偏振功分器，它包括基底层、第一、第二锥形定向耦合器、单模波导、多模波导、信号输入端、三个信号输出端、位于第一锥形定向耦合器上的第一、第二分离区，第二锥形定向耦合器上的第一、第二多路转换区，连接第一、第二分离区的第一线性锥形波导，连接第一、第二多路转换区的第二线性锥形波导。信号从信号输入端输入，TE波经第一分离区耦合到多模波导转换为TM波，再耦合到单模波导，经第一、第二、第三信号输出端输出TM波。TM波经过第一分、第二分离区耦合到单模波导上为TM波，TM波经过第一、第二多路转换区转换为TE波，经第一、第二信号输出端输出TE波。本发明具有可实现模式转换，尺寸小，易于集成等优点。

Description

太赫兹波双模偏振功分器
技术领域
本发明涉及功分器，尤其涉及一种太赫兹波双模偏振功分器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz至10THz范围内的电磁波，由于自然界中缺少太赫兹源和探测物质，20世纪80年代之前，世界上的科学家对该频段电磁特性的了解仍十分有限。而在最近几十年，超快激光技术的快速发展，促使获得稳定可靠太赫兹源的问题得到解决，从而促进了太赫兹波检测及相关研究应用的蓬勃向前发展，因此太赫兹技术以及太赫兹器件的研究逐渐成为世界范围内广泛研究的热点。
太赫兹波功分器是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波功分器已成为国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波功分器大都存在着结构复杂、功分效率低、不能完成模式转换等诸多缺点，所以研究结构简单、双模转换、成本低、尺寸小，高效率的太赫兹波功分器意义重大。
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、可实现双模式转换的太赫兹波双模偏振功分器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
太赫兹波双模偏振功分器，它包括基底层以及位于基底层上的第一锥形定向耦合器、第二锥形定向耦合器、多模波导和单模波导；第一锥形定向耦合器的左端为信号输入端，信号输入端位于基底层的最左端边缘处，第一锥形定向耦合器右端顺次相连有第一分离区、第一线性锥形波导和第二分离区；第二锥形定向耦合器间隔设置于第二分离区的右侧，第二锥形定向耦合器上顺次相连有第一多路转换区、第二线性锥形波导、第二多路转换区，第二多路转换区右侧同时连接第一信号输出端和第二信号输出端；单模波导位于第一锥形定向耦合器和第二锥形定向耦合器的上方，单模波导的左端和右端分别延伸至基底层的最左端边缘和最右端边缘处，单模波导的右端具有第三信号输出端；第一锥形定向耦合器、第二锥形定向耦合器和单模波导之间设有多模波导；信号从信号输入端输入，TE波经第一分离区耦合到多模波导转换为TM波再耦合到单模波导，然后第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端分别输出TM波；TM波经过第一分离区与第二分离区耦合到多模波导上为TM波，TM波经过第一多路转换区与第二多路转换区转换为TE波，第一信号输出端、第二信号输出端分别输出TE波，达到双模偏振功分功能。
进一步的，所述的基底层的材料为二氧化硅，折射率为1.45，长度为28～30μm，宽度为10～12μm，厚度为2～4μm。所述的第一锥形定向耦合器、第二锥形定向耦合器、第一分离区、第二分离区、第一多路转换区、第二多路转换区、第一线性锥形波导、第二线性锥形波导、单模波导以及多模波导的材料为高阻硅，折射率为3.45。所述的第一锥形定向耦合器长度为2.2～2.4μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，所述的第二锥形定向耦合器是基于Y型结构的非对称结构长度为2.2～2.4μm，宽度为2.2～2.4μm，厚度为2～4μm。所述的第一分离区长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二分离区长度为9.3～9.5μm，宽度为0.1～0.3μm，厚度为2～4μm，用以降低串扰功率；第一多路转换区长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二多路转换区长度为21.2～21.4μm，宽度为3.1～3.3μm，厚度为2～4μm。所述的第一线性锥形波导长度为5～7μm，厚度为2～4μm，第二线性锥形波导长度为7～9μm，厚度为2～4μm，用以避免极化。所述的单模波导长度为7.7～7.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm；多模波导长度为4.7～4.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm，中间的圆弧半径为3.2～3.4μm，用以完成模式转换。所述第一信号输出端与第二信号输出端形状结构相同，长度为3.3～3.5μm，宽度为1.3～1.5μm，厚度为2～4μm，第一信号输出端与第二信号输出端的间隔为1～3μm，夹角为45°，第三信号输出端长度为3.3～3.5μm，宽度为0.6～0.8μm。
本发明具有双模偏振功分功能，另外也具有结构简单、双模、可实现模式转换，尺寸小，成本低、易于集成等优点。
附图说明
图1是太赫兹波双模偏振功分器的二维结构示意图；
图2是太赫兹波双模偏振功分器输入频率为1～3THz时，输入太赫兹波为TM波时的输出功率图；
图3是太赫兹波双模偏振功分器器输入频率为1～3THz时，输入太赫兹波为TE波时的输出功率图；
图中：信号输入端1、第一信号输出端2、第二信号输出端3、第三信号输出端4、第一锥形定向耦合器5、第一分离区6、第一线性锥形波导7、第二分离区8、第二锥形定向耦合器9、第一多路转换区10、第二线性锥形波导11、第二多路转换区12、多模波导13、单模波导14、基底层15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。
如图1所示，太赫兹波双模偏振功分器，其包括基底层15以及位于基底层15上的第一锥形定向耦合器5、第二锥形定向耦合器9、多模波导13和单模波导14；第一锥形定向耦合器5的左端为信号输入端1，信号输入端1位于基底层15的最左端边缘处，第一锥形定向耦合器5右端顺次相连有第一分离区6、第一线性锥形波导7和第二分离区8；第二锥形定向耦合器9间隔设置于第二分离区8的右侧，第二锥形定向耦合器9上顺次相连有第一多路转换区10、第二线性锥形波导11、第二多路转换区12，第二多路转换区12右侧同时连接第一信号输出端2和第二信号输出端3；单模波导14位于第一锥形定向耦合器5和第二锥形定向耦合器9的上方，单模波导14的左端和右端分别延伸至基底层15的最左端边缘和最右端边缘处，单模波导14的右端具有第三信号输出端4；第一锥形定向耦合器5、第二锥形定向耦合器9和单模波导14之间设有多模波导13；信号从信号输入端1输入，TE波经第一分离区6耦合到多模波导13转换为TM波再耦合到单模波导14，然后第一信号输出端2、第二信号输出端3、第三信号输出端4分别输出TM波；TM波经过第一分离区6与第二分离区8耦合到多模波导13上为TM波，TM波经过第一多路转换区10与第二多路转换区12转换为TE波，第一信号输出端2、第二信号输出端3分别输出TE波，达到双模偏振功分功能。
所述的基底层15的材料为二氧化硅，折射率为1.45，长度为28～30μm，宽度为10～12μm，厚度为2～4μm。所述的第一锥形定向耦合器5、第二锥形定向耦合器9、第一分离区6、第二分离区8、第一多路转换区10、第二多路转换区12、第一线性锥形波导7、第二线性锥形波导11、单模波导14以及多模波导13的材料为高阻硅，折射率为3.45。所述的第一锥形定向耦合器5长度为2.2～2.4μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，所述的第二锥形定向耦合器9是基于Y型结构的非对称结构长度为2.2～2.4μm，宽度为2.2～2.4μm，厚度为2～4μm。所述的第一分离区6长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二分离区8长度为9.3～9.5μm，宽度为0.1～0.3μm，厚度为2～4μm，用以降低串扰功率；第一多路转换区10长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二多路转换区12长度为21.2～21.4μm，宽度为3.1～3.3μm，厚度为2～4μm。所述的第一线性锥形波导7长度为5～7μm，厚度为2～4μm，第二线性锥形波导11长度为7～9μm，厚度为2～4μm，用以避免极化。所述的单模波导14长度为7.7～7.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm；多模波导13长度为4.7～4.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm，中间的圆弧半径为3.2～3.4μm，用以完成模式转换。所述第一信号输出端2与第二信号输出端3形状结构相同，长度为3.3～3.5μm，宽度为1.3～1.5μm，厚度为2～4μm，第一信号输出端2与第二信号输出端3的间隔为1～3μm，夹角为45°，第三信号输出端4长度为3.3～3.5μm，宽度为0.6～0.8μm。
实施例1
本实施例中的太赫兹波双模偏振功分器结构如前所述，具体见图1，此处不再赘述。各元件的具体参数如下：
基底层15的材料为二氧化硅，折射率为1.45，长度为28μm，宽度为10μm，厚度为2μm。第一锥形定向耦合器5、第二锥形定向耦合器9、第一分离区6、第二分离区8、第一多路转换区10、第二多路转换区12、第一线性锥形波导7、第二线性锥形波导11、单模波导14以及多模波导13的材料为高阻硅，折射率为3.4。第一锥形定向耦合器5长度为2.2μm，宽度为1.1μm，厚度为2μm，所述的第二锥形定向耦合器9是基于Y型结构的非对称结构，长度为2.2μm，宽度为2.3μm，厚度为2μm。第一分离区6长度为15.3μm，宽度为1.1μm，厚度为2μm，第二分离区8长度为9.4μm，宽度为0.1μm，厚度为2μm，可降低串扰功率，第一多路转换区10长度为15.4μm，宽度为1.2μm，厚度为3μm，第二多路转换区12长度为21.3μm，宽度为3.2μm，厚度为2μm。第一线性锥形波导7长度为6μm，厚度为2μm，第二线性锥形波导11长度为7μm，厚度为2μm，为了避免极化。单模波导14长度为7.7μm，宽度为4μm，厚度为2μm。多模波导13呈轴对称，其长度为4.7μm，宽度为4μm，厚度为2μm，中间的圆弧半径为3.2μm。第一信号输出端2与第二信号输出端3形状结构相同，长度为3.3μm，宽度为1.3μm，厚度为2μm，第一信号输出端2与第二信号输出端3的间隔为2μm，夹角为45°，第三信号输出端4长度为3.3μm，宽度为0.6μm。太赫兹波双模功分器各项性能指标由FDTD测试。从信号输入端1输入TM偏振太赫兹波，频率为1～3THz，输出端口太赫兹波输出功率如图2所示，第一信号输出端2、第二信号输出端3、第三信号输出端4分别输出-4.8dB的TE波；输入频率为1～3THz时，输入太赫兹波为TE波时的透射率谱图如图3所示，第一信号输出端2、第二信号输出端3分别输出-3dB的TM波，太赫兹双模偏振功分器插入损耗低于1.5dB，噪声串扰小于-20dB。

Claims (8)

1.一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于，包括基底层(15)以及位于基底层(15)上的第一锥形定向耦合器(5)、第二锥形定向耦合器(9)、多模波导(13)和单模波导(14)；第一锥形定向耦合器(5)的左端为信号输入端(1)，信号输入端(1)位于基底层(15)的最左端边缘处，第一锥形定向耦合器(5)右端顺次相连有第一分离区(6)、第一线性锥形波导(7)和第二分离区(8)；第二锥形定向耦合器(9)间隔设置于第二分离区(8)的右侧，第二锥形定向耦合器(9)上顺次相连有第一多路转换区(10)、第二线性锥形波导(11)、第二多路转换区(12)，第二多路转换区(12)右侧同时连接第一信号输出端(2)和第二信号输出端(3)；单模波导(14)位于第一锥形定向耦合器(5)和第二锥形定向耦合器(9)的上方，单模波导(14)的左端和右端分别延伸至基底层(15)的最左端边缘和最右端边缘处，单模波导(14)的右端具有第三信号输出端(4)；第一锥形定向耦合器(5)、第二锥形定向耦合器(9)和单模波导(14)之间设有多模波导(13)；信号从信号输入端(1)输入，TE波经第一分离区(6)耦合到多模波导(13)转换为TM波再耦合到单模波导(14)，然后第一信号输出端(2)、第二信号输出端(3)、第三信号输出端(4)分别输出TM波；TM波经过第一分离区(6)与第二分离区(8)耦合到多模波导(13)上为TM波，TM波经过第一多路转换区(10)与第二多路转换区(12)转换为TE波，第一信号输出端(2)、第二信号输出端(3)分别输出TE波，达到双模偏振功分功能。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的基底层(15)的材料为二氧化硅，折射率为1.45，长度为28～30μm，宽度为10～12μm，厚度为2～4μm。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的第一锥形定向耦合器(5)、第二锥形定向耦合器(9)、第一分离区(6)、第二分离区(8)、第一多路转换区(10)、第二多路转换区(12)、第一线性锥形波导(7)、第二线性锥形波导(11)、单模波导(14)以及多模波导(13)的材料为高阻硅，折射率为3.45。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的第一锥形定向耦合器(5)长度为2.2～2.4μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，所述的第二锥形定向耦合器(9)是基于Y型结构的非对称结构长度为2.2～2.4μm，宽度为2.2～2.4μm，厚度为2～4μm。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的第一分离区(6)长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二分离区(8)长度为9.3～9.5μm，宽度为0.1～0.3μm，厚度为2～4μm，用以降低串扰功率；第一多路转换区(10)长度为15.3～15.5μm，宽度为1.1～1.3μm，厚度为2～4μm，第二多路转换区(12)长度为21.2～21.4μm，宽度为3.1～3.3μm，厚度为2～4μm。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的第一线性锥形波导(7)长度为5～7μm，厚度为2～4μm，第二线性锥形波导(11)长度为7～9μm，厚度为2～4μm，用以避免极化。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述的单模波导(14)长度为7.7～7.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm；多模波导(13)长度为4.7～4.9μm，宽度为4～6μm，厚度为2～4μm，中间的圆弧半径为3.2～3.4μm，用以完成模式转换。
8.根据权利要求1所述的一种太赫兹波双模偏振功分器，其特征在于所述第一信号输出端(2)与第二信号输出端(3)形状结构相同，长度为3.3～3.5μm，宽度为1.3～1.5μm，厚度为2～4μm，第一信号输出端(2)与第二信号输出端(3)的间隔为1～3μm，夹角为45°，第三信号输出端(4)长度为3.3～3.5μm，宽度为0.6～0.8μm。
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