CN107910620B - 可控太赫兹波开关 - Google Patents

可控太赫兹波开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控太赫兹波开关，它包括二维周期排列的介质柱光子晶体及位于介质柱光子晶体之间的第一信号输入端、第二信号输入端、第一偏置信号输入端、第二偏置信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、第四单模波导、第五单模波导、第六单模波导、第一光子晶体谐振环、第二光子晶体谐振环、第三光子晶体谐振环、第一耦合光子晶体介质柱阵列、第二耦合光子晶体介质柱阵列，当偏置信号输入端持续输入偏置信号时，通过选择从不同信号输入端输入信号，从而控制太赫兹波从不同的信号输出端输出，实现可控太赫兹波开关。本发明具有结构简单、可控性强、尺寸小、成本低、易于集成等优点。

Description

可控太赫兹波开关
技术领域
本发明涉及开关，尤其涉及一种可控太赫兹波开关。
背景技术
太赫兹辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，太赫兹辐射的命名来源于它的振荡频率在1THz左右，在电子学领域里，这一频段的电磁波又被称作毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外射线。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏高能量、高效率、室温下稳定运转的太赫兹辐射源以及有效的太赫兹波探测技术，太赫兹技术及应用研究进展非常缓慢，相关的文献报道也屈指可数，太赫兹波段成为宽广的电磁波谱中唯一一块尚未充分开发利用的波段，被科学界称为电磁波谱最后的“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。
太赫兹波开关是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波开关已成为国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波开关大都存在着结构复杂、输出效率低、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、输出效率高、成本低、尺寸小，具有可控性能的太赫兹波开关意义重大。
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、可控的太赫兹波开关。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可控太赫兹波开关包括二维周期排列的介质柱光子晶体及位于介质柱光子晶体之间的第一信号输入端、第二信号输入端、第一偏置信号输入端、第二偏置信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导、第四单模波导、第五单模波导、第六单模波导、第一光子晶体谐振环、第二光子晶体谐振环、第三光子晶体谐振环、第一耦合光子晶体介质柱阵列、第二耦合光子晶体介质柱阵列；太赫兹波开关左端从上到下顺次设有第一偏置信号输入端、第一信号输入端、第二偏置信号输入端、第二信号输入端，太赫兹波开关右端从上到下顺次设有第一信号输出端、第二信号输出端，第一偏置信号输入端右端与第一单模波导相连接，第一单模波导下方设有第一光子晶体谐振环，第一信号输入端右方设有所述第一光子晶体谐振环，第一光子晶体谐振环下方设有第四单模波导，第二偏置信号输入端右端与第二单模波导相连接，第二单模波导下方设有第二光子晶体谐振环，第二信号输入端右方设有所述第二光子晶体谐振环，第二光子晶体谐振环下方设有第五单模波导，第一信号输出端左端与第三单模波导相连接，第三单模波导下方设有第一耦合光子晶体介质柱阵列，第一耦合光子晶体介质柱阵列下方设有第三光子晶体谐振环，第三光子晶体谐振环右方设有第二耦合光子晶体介质柱阵列，第二耦合光子晶体介质柱阵列右方设有第六单模波导，第六单模波导下端与第二信号输出端相连接，第一单模波导、第二单模波导、第三单模波导相连接构成Y形通道，第一偏置信号输入端、第二偏置信号输入端持续输入偏置信号，当仅从第一信号输入端或第二信号输入端输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第一信号输出端输出，当同时从第一信号输入端和第二信号输入端输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第二信号输出端输出，从而实现太赫兹波开关功能。
所述的介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.46，介质柱光子晶体半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第一光子晶体谐振环、第二光子晶体谐振环形状结构相同，均由7行×7列介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第三光子晶体谐振环由3行×3列介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第一耦合光子晶体介质柱阵列、第二耦合光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由三个小介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小介质柱光子晶体半径均为25～26μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
本发明的可控太赫兹波开关具有结构简单紧凑，尺寸小，便于制作，可控等优点，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是可控太赫兹波开关的二维结构示意图；
图2是可控太赫兹波开关仅从第一信号输入端输入太赫兹波，从第一信号输出端输出时的开关稳态电场分布图；
图3是可控太赫兹波开关仅从第二信号输入端输入太赫兹波，从第一信号输出端输出时的开关稳态电场分布图；
图4是可控太赫兹波开关同时从第一信号输入端、第二信号输入端输入太赫兹波，从第二信号输出端输出时的开关稳态电场分布图；
图5是可控太赫兹波开关第一信号输出端输出功率曲线；
图6是可控太赫兹波开关第二信号输出端输出功率曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种可控太赫兹波开关包括二维周期排列的介质柱光子晶体18及位于介质柱光子晶体18之间的第一信号输入端1、第二信号输入端2、第一偏置信号输入端3、第二偏置信号输入端4、第一信号输出端5、第二信号输出端6、第一单模波导7、第二单模波导8、第三单模波导9、第四单模波导10、第五单模波导11、第六单模波导12、第一光子晶体谐振环13、第二光子晶体谐振环14、第三光子晶体谐振环15、第一耦合光子晶体介质柱阵列16、第二耦合光子晶体介质柱阵列17；太赫兹波开关左端从上到下顺次设有第一偏置信号输入端3、第一信号输入端1、第二偏置信号输入端4、第二信号输入端2，太赫兹波开关右端从上到下顺次设有第一信号输出端5、第二信号输出端6，第一偏置信号输入端3右端与第一单模波导7相连接，第一单模波导7下方设有第一光子晶体谐振环13，第一信号输入端1右方设有所述第一光子晶体谐振环13，第一光子晶体谐振环13下方设有第四单模波导10，第二偏置信号输入端4右端与第二单模波导8相连接，第二单模波导8下方设有第二光子晶体谐振环14，第二信号输入端2右方设有所述第二光子晶体谐振环14，第二光子晶体谐振环14下方设有第五单模波导11，第一信号输出端5左端与第三单模波导9相连接，第三单模波导9下方设有第一耦合光子晶体介质柱阵列16，第一耦合光子晶体介质柱阵列16下方设有第三光子晶体谐振环15，第三光子晶体谐振环15右方设有第二耦合光子晶体介质柱阵列17，第二耦合光子晶体介质柱阵列17右方设有第六单模波导12，第六单模波导12下端与第二信号输出端6相连接，第一单模波导7、第二单模波导8、第三单模波导9相连接构成Y形通道，第一偏置信号输入端3、第二偏置信号输入端4持续输入偏置信号，当仅从第一信号输入端1或第二信号输入端2输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第一信号输出端5输出，当同时从第一信号输入端1和第二信号输入端2输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第二信号输出端6输出，从而实现太赫兹波开关功能。
所述的介质柱光子晶体18沿X-Z平面呈正方周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.46，介质柱光子晶体18的半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第一光子晶体谐振环13、第二光子晶体谐振环14形状结构相同，均由7行×7列介质柱光子晶体18沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体18半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第三光子晶体谐振环15由3行×3列介质柱光子晶体18沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体18半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。所述的第一耦合光子晶体介质柱阵列16、第二耦合光子晶体介质柱阵列17形状结构相同，均由三个小介质柱光子晶体19沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小介质柱光子晶体19半径均为25～26μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
实施例1
介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.46，介质柱光子晶体的半径为40μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第一光子晶体谐振环、第二光子晶体谐振环形状结构相同，均由7行×7列介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体半径为40μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第三光子晶体谐振环由3行×3列介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体半径为40μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。第一耦合光子晶体介质柱阵列、第二耦合光子晶体介质柱阵列形状结构相同，均由三个小介质柱光子晶体沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小介质柱光子晶体半径均为25μm，介质柱圆心之间的距离为200μm。当仅从第一信号输入端输入太赫兹波，从第一信号输出端输出太赫兹波时的开关稳态电场分布图如图2所示。当仅从第二信号输入端输入太赫兹波，从第一信号输出端输出太赫兹波时的开关稳态电场分布图如图3所示。当同时从第一信号输入端、第二信号输入端输入太赫兹波，从第二信号输出端输出太赫兹波时的开关稳态电场分布图如图4所示。可控太赫兹波开关第一信号输出端输出功率曲线如图5所示，最大输出功率为33.1％。可控太赫兹波开关第二信号输出端输出功率曲线如图6所示，最大输出功率为97.2％。

Claims (5)

1.一种可控太赫兹波开关，其特征在于包括二维周期排列的介质柱光子晶体(18)及位于介质柱光子晶体(18)之间的第一信号输入端(1)、第二信号输入端(2)、第一偏置信号输入端(3)、第二偏置信号输入端(4)、第一信号输出端(5)、第二信号输出端(6)、第一单模波导(7)、第二单模波导(8)、第三单模波导(9)、第四单模波导(10)、第五单模波导(11)、第六单模波导(12)、第一光子晶体谐振环(13)、第二光子晶体谐振环(14)、第三光子晶体谐振环(15)、第一耦合光子晶体介质柱阵列(16)、第二耦合光子晶体介质柱阵列(17)；太赫兹波开关左端从上到下顺次设有第一偏置信号输入端(3)、第一信号输入端(1)、第二偏置信号输入端(4)、第二信号输入端(2)，太赫兹波开关右端从上到下顺次设有第一信号输出端(5)、第二信号输出端(6)，第一偏置信号输入端(3)右端与第一单模波导(7)相连接，第一单模波导(7)下方设有第一光子晶体谐振环(13)，第一信号输入端(1)右方设有所述第一光子晶体谐振环(13)，第一光子晶体谐振环(13)下方设有第四单模波导(10)，第二偏置信号输入端(4)右端与第二单模波导(8)相连接，第二单模波导(8)下方设有第二光子晶体谐振环(14)，第二信号输入端(2)右方设有所述第二光子晶体谐振环(14)，第二光子晶体谐振环(14)下方设有第五单模波导(11)，第一信号输出端(5)左端与第三单模波导(9)相连接，第三单模波导(9)下方设有第一耦合光子晶体介质柱阵列(16)，第一耦合光子晶体介质柱阵列(16)下方设有第三光子晶体谐振环(15)，第三光子晶体谐振环(15)右方设有第二耦合光子晶体介质柱阵列(17)，第二耦合光子晶体介质柱阵列(17)右方设有第六单模波导(12)，第六单模波导(12)下端与第二信号输出端(6)相连接，第一单模波导(7)、第二单模波导(8)、第三单模波导(9)相连接构成Y形通道，第一偏置信号输入端(3)、第二偏置信号输入端(4)持续输入偏置信号，当仅从第一信号输入端(1)或第二信号输入端(2)输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第一信号输出端(5)输出，当同时从第一信号输入端(1)和第二信号输入端(2)输入太赫兹波时，可以控制太赫兹波从第二信号输出端(6)输出，从而实现太赫兹波开关功能。
2.根据权利要求1所述的一种可控太赫兹波开关，其特征在于所述的介质柱光子晶体(18)沿X-Z平面呈正方周期性分布的光子晶体阵列，材料为硅，折射率为3.46，介质柱光子晶体(18)半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
3.根据权利要求1所述的一种可控太赫兹波开关，其特征在于所述的第一光子晶体谐振环(13)、第二光子晶体谐振环(14)形状结构相同，均由7行×7列介质柱光子晶体(18)沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体(18)半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
4.根据权利要求1所述的一种可控太赫兹波开关，其特征在于所述的第三光子晶体谐振环(15)由3行×3列介质柱光子晶体(18)沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，介质柱光子晶体(18)半径为40～42μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
5.根据权利要求1所述的一种可控太赫兹波开关，其特征在于所述的第一耦合光子晶体介质柱阵列(16)、第二耦合光子晶体介质柱阵列(17)形状结构相同，均由三个小介质柱光子晶体(19)沿X-Z平面呈正方周期性分布组成，小介质柱光子晶体(19)半径均为25～26μm，介质柱圆心之间的距离为200～202μm。
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