CN109286053A - 一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽带太赫兹单向传输器 - Google Patents
一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽带太赫兹单向传输器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽带太赫兹单向传输器,其目的在于减少反射光返回集成激光器中对激光器造成的严重损坏,尤其是在较高的光功率下产生的影响;并解决了在光路中由于其他器件的反射造成光路信号干扰等问题。采用的方案是:在亚波长矩形波导特定的位置镀上结构渐变的天线阵列超表面。超表面与波导模式发生强相互作用并为波导模式提供额外的单向动量补偿,从而实现了波导模式转化和能量的单向传输。本发明具有装置简单易于操控,体积尺寸小,正向‑反向透射比值高等特点,利于太赫兹集成光学的发展和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化太赫兹波段功能器件,特别适用于未来通信的宽带太赫兹单向传输器件。
背景技术
由于太赫兹波频段的特殊位置处于微波和红外线之间,因此具有一系列特殊的性质,比如:瞬态性、强穿透性、低能性以及对生物探测安全性等,这使得太赫兹波在国防安全、生物分子监测、无损成像、医疗诊断、安检等领域具有广阔的应用前景。随着未来无线通信需求与技术持续发展,需要不断开发新的频谱资源,提高信息传输速率,太赫兹频段(0.1-10THz)频谱资源具有大容量高带宽的传输能力,是下一代通信的核心频段。目前国内围绕太赫兹频段的功能器件所做的研究较少,且器件的小型化、工作带宽窄阻碍着器件大规模实用性集成。因此太赫兹波段的小型化功能器件,将对于光学信息处理,高速宽带通信具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明旨在解决在太赫兹平台上,结合渐变超表面和亚波长波导,利用超表面为波导模式转化提供单向动量补偿,从而实现了单向传输器件。
为实现上述目的,本发明采用的方案是:
(1)采用数值计算,模拟不同长度天线的反射相位;然后在波导表面按照模式转化所需的动量进行设计;
(2)采用激光刻蚀技术,在0.5μm-100μm厚的片状材料上,刻蚀出宽度为100μm-300μm的矩形波导,材料属性为铌酸锂;
(3)采用紫外光刻技术利磁控溅射技术将金属天线铍到矩形波导表面的固定位置,这样就制作出了太赫兹单向传输器件;
(4)飞秒激光器开启,产生脉冲,脉冲通过分束镜将光分成两束:泵浦光和探测光;
(5)泵浦光经过闪耀光栅衍射出具有波前倾斜属性的负1级光,再经柱透镜将光栅的像成到铌酸锂表面,通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波,调制产生的太赫兹的相速度和激光在铌酸锂表面投影的群速度匹配,从而产生较强的多周期太赫兹波;
(6)根据超表面对传统Snell定律的重新改写,打破在界面上的动量守恒。我们设计了相位渐变超表面,在界面上通过超表面对波导模式逐渐作用从而为波导模式提供了额外的动量,最终满足了在波导内模式之间转化所需要的动量;
(7)结合设计的超表面与铌酸锂亚波长波导发现,当天线的中点在矩形波导的中线上,且天线的长轴方向与铌酸锂的光轴方向平行时,即使超表面提供了额外的动量,也无法实现单项传输,即光从波导的左侧、右侧分别入射,能量始终无法到波导的另一端。此时需要我们对天线做简单的操作才完成单项传输:将天线阵列向波导的一侧偏移,或者将天线的长轴与波导光轴做相对旋转,或者同时进行偏移和旋转;
(8)探测光经BBO晶体倍频、滤波片滤去基频信号以及小孔系统滤波整形,入射到亚波长波导表面,由于光克尔效应和光折变效应,太赫兹波引起波导内折射率改变,将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中,经过4f系统,转化为强度信息,再经延迟线调控可在CCD上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号,利用计算机上相关计算软件对太赫兹时域信号做快速傅里叶变换,得到频域信息进一步验证了利用渐变相位超表面可以实现模式转化,实现了太赫兹波通过太赫兹单向传输器件的时域分辨探测。
其中,步骤(2)中亚波长波导使用的材料是片状铁电材料,厚度0.5μm-100μm,材料属性为铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂。
优选地,步骤(4)中飞秒激光脉冲的波长为紫外至近红外,重复频率是1Hz-100MHz,脉宽可为5-1000fs。
优选地,步骤(5)中使用的是闪耀光栅,用来倾斜波前匹配出太赫兹波。
优选地,步骤(6)中的工作频段是0.1-3THz,是下一代通信的核心频率。
优选地,步骤(6)中渐变超表面对波导模式的影响是由波导模式与金属天线的强相互作用引起的,而且由于渐变超表面提供的是单方向的补偿动量,因此当入射的波导模式在整个天线阵列传输过程中,动量一直持续增加,直到满足所要转化模式的动量。
优选地,步骤(7)中要实现上述的单向传输器件,需要满足两个条件:一是渐变超表面提供了特殊模式转化需要的动量;二是单个天线在波导中的辐射场需要具备某个模式的电场分布特征,超表面沉积在了亚波长波导的表面,选择亚波长波导具有明显的优势:第一提高了超材料对波导模式的调节效率,第二很大程度的减小了设备的体积,为小型化光子集成提供可能;其次将天线偏移或者旋转,目的在于通过调节单个天线在波导中的散射场,使得具有了所要实现的模式的电场特征图。
优选地,步骤(8)中利用光克尔效应和光折变效应,借助泵浦探测系统实现了太赫兹波与渐变超表面结构相互作用的时域分辨探测。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明工作频段在太赫兹,是下一代通讯的核心频段,且实现了单向传输功能,是光路中必不可少的功能性原件。
本发明由于采用的是渐变天线阵列超表面,因此会具有相对较宽的工作带宽,为实现宽带工作器件提供了方案。
本发明由于采用的是结合二维超表面和亚波长矩形波导,同时考虑的是天线的近场散射,并且天线之间的间隔都是亚波长的,所以该结构具有小型化体积(结构尺寸1.55mm是对应真空工作波长λ0=0.789mm的1.95倍),简单易于操控,成本低等特点。
本发明由于采用渐变天线,利用相位不连续概念,在界面处提供单方向动量补偿,从而实现了正向-反向透射比值高的太赫兹单向传输。
附图说明
图1为单向传输器件示意图
图2为单向传输器件的正视图和俯视图
图3为实现太赫兹单向传输实验装置图
图4为非对称能量传输图
图5为透射与正反向透射比图
附图标号如下:
1-天线阵列、2-铌酸锂波导、3-飞秒激光器、4-分束镜、5-第一反射镜、6-第二反射镜、7-延迟线、8-第三反射镜、9-闪耀光栅、10-第四反射镜、11-柱透镜、12-单向传输器件、13-偏振片、14-BBO、15-滤波片、16-第五反射镜、17-小孔滤波系统、18-4f系统、19-CCD。
具体实施方式
本发明提出一种在太赫兹集成平台上结合渐变超表面利亚波长波导形成的单向宽带传输器件,下面结合附图,对本发明的方案做进一步说明。
附图1为单向传输器件示意图
1-天线阵列、2-铌酸锂波导。
附图2为单向传输器件的正视图和俯视图
h为波导厚度、1为超表面阵列的长度、a为亚波长波导的长度、b为亚波长波导的宽度。
如附图3所示,本发明的装置包括3-飞秒激光器、4-分束镜、5-第一反射镜、6-第二反射镜、7-延迟线、8-第三反射镜、9-闪耀光栅、10-第四反射镜、11-柱透镜、12-单向传输器件、13-偏振片、14-BBO、15-滤波片、16-第五反射镜、17-小孔滤波系统、18-4f系统、19-CCD。
本发明的实施步骤:
(1)采用数值计算,模拟不同长度天线的反射相位;然后在波导表面按照模式转化所需的动量进行设计;
(2)采用激光刻蚀技术,在片状材料上,刻蚀出200*50μm2的矩形波导,材料属性为铌酸锂2;
(3)采用紫外光刻技术利磁控溅射技术将金属天线阵列1镀到矩形波导表面的固定位置,制作出了太赫兹单向传输器件12;
(4)启动飞秒激光器3,产生脉冲,重复频率1kHz、波长800nm、脉宽120fs激光脉冲通过分束镜4将光分成两束:泵浦光和探测光,反射光为泵浦光,透射光为探测光,泵浦光和探测光的初始位相相同;
(5)泵浦光经反射镜5利6、到达延迟线7,在经过反射镜8,到达闪耀光栅9,经9衍射产生具有倾斜波前属性的负1级衍射光,然后经过柱透镜11将闪耀光栅的像成到器件12的表面,通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波,并通过将产生的太赫兹的相速度和激光在铌酸锂表面投影的群速度匹配,从而产生较强的太赫兹波;
(6)探测光通过偏振片13,BBO晶体14倍频、滤波片15滤掉红色光,再经过反射镜16,进入小孔滤波系统17滤掉探测光高频成分,垂直入射到器件12表面,由于光克尔效应和光折变效应,太赫兹波引起波导内折射率改变,将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中,通过4f系统18,转化为强度信息,通过动态移动延迟线,可在CCD 19上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号;
(7)利用计算机上相关计算软件对太赫兹时域信号做快速傅里叶变换,得到频域信息进一步验证了利用渐变相位超表面可以实现模式转化,实现了太赫兹波通过太赫兹单向传输器件的时域分辨探测。
实施实例:
一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽带太赫兹单向传输器件具体实施步骤如下:
(1)采用数值模拟,模拟不同长度天线的反射相位;然后按照模式转化所需的动量,在波导表面设计52根金属天线,相邻天线之间相位差间隔Λx=30μm。
(2)采用激光刻蚀技术,在50μm厚的片状材料上,刻蚀出截面为200*50μm2的矩形波导,材料属性为x切向的铌酸锂;
(3)采用紫外光刻技术和磁控溅射技术将100nm厚的金属天线镀到矩形波导表面的固定位置,天线的中点偏移矩形波导中线20μm,旋转40°,这样就制作出了太赫兹单向传输器件12;
(4)启动飞秒激光器,产生重复频率1KHz、波长800nm、脉宽120fs的激光脉冲,激光脉冲以45°角照到分束镜后,反射光为泵浦光,透射光为探测光,泵浦光和探测光的初始位相相同但平均功率分别为450mW和50mW;
(5)泵浦光经反射镜5和6、到达延迟线7,在经过反射镜8,到达闪耀光栅9,经9衍射产生具有斜波前属性的负1级衍射光,然后经过柱透镜11将闪耀光栅的像成到器件12的表面,通过冲击受激拉曼散射激发太赫兹波,并通过将产生的太赫兹的相速度和激光在铌酸锂表面投影的群速度匹配,从而产生较强的太赫兹波;
(6)探测光通过偏振片13,BBO晶体14倍频、滤波片15滤掉红色光,再经过反射镜16,进入小孔滤波系统17滤掉探测光高频成分,垂直入射到器件12表面,由于光克尔效应利光折变效应,太赫兹波引起波导内折射率分布改变,将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中,通过4f系统18,转化为强度信息,通过动态移动延迟线,可在CCD 19上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号;
(7)利用计算机上MATLAB软件对太赫兹时域脉冲谱做快速傅里叶变换,得到频域信息进一步验证了利用渐变相位超表面可以实现模式转化,实现了太赫兹波通过太赫兹单向传输器件的时域分辨探测。
所述泵浦光、探测光和太赫兹波的偏振方向均平行于铌酸锂晶体光轴方向。
附图4为非对称能量传输图。上图为横向电场模式TE00从正向入射,由于超表面与波导模式的强相互作用,对入射的基模的动量进行补偿,实现了模式转化。下图为TE00模式从反向入射,由于动量是单方向提供的,所以波导里无法容纳下比基模还大的动量,因此能最被阻挡无法透过,从而实现了在f=0.38THz能量的单向透射。
附图5为透射与正反向透射比图。上图为正向和反向的透射率,下图为正向-反向的透射比。
显然上述实施例仅为清楚的说明本发明所做的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上,还可以做出其他不同形式的变化或变动,这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器。其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用紫外光刻技术和磁控溅射技术,将由数值模拟计算得到的渐变金属天线阵列镀到亚波长矩形波导表面的固定位置,制作出太赫兹单向传输器件,波导材料介质为铌酸锂,钽酸锂;
(2)启动飞秒激光器,产生脉冲,脉冲通过分束镜将分成两束:泵浦光和探测光;
(3)泵浦光经过闪耀光栅衍射出波前倾斜的负1级光,再经柱透镜将光栅的像成像到铌酸锂表面,调制产生的太赫兹的相速度和激光在铌酸锂表面投影的群速度匹配,从而产生较强的多周期太赫兹波;
(4)根据超表面对传统Snell定律的重新改写的方法,打破了在界面上的动量守恒规律,我们设计了相位渐变的超表面,在界面上通过超表面对波导模式逐渐作用,从而为波导模式单项传输提供了额外的动量,最终满足了在波导内模式之间转化所需要的动量;
(5)结合设计的超表面与铌酸锂亚波长波导发现,当天线的中点在矩形波导的中线上,且天线的长轴方向与铌酸锂的光轴方向平行时,虽然超表面提供了额外的动量,也无法实现波导的模式转换,此时需要对天线做适当的操作才可完成模式转化:将天线阵列向波导的一侧偏移,或者将天线的长轴与波导光轴做相对旋转,或者同时进行偏移和旋转;
(6)探测光经BBO晶体倍频、滤波片滤去基频信号以及小孔系统滤波整形,入射到亚波长波导表面,由于光克尔效应和光折变效应,太赫兹波引起波导内折射率改变,将太赫兹波所引起的折射率变化记录在其相位信息中,经过4f系统,转化为强度信息,再经延迟线调控可在CCD上获得太赫兹时域瞬态脉冲信号,利用计算机上相关计算软件对太赫兹时域信号做快速傅里叶变换,得到频域信息进一步验证了利用渐变相位超表面可以实现模式转化,实现了太赫兹波通过太赫兹单向传输器件的时域分辨探测。
2.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(1)中亚波长波导铁电材料是指厚度在0.5μm-100μm的材料,材料属性为铁电晶体例如铌酸锂、钽酸锂。
3.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(2)中飞秒激光脉冲的波长为紫外至近红外,重复频率是1Hz-100MHz,脉宽可为5-1000fs。
4.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(3)中使用的是闪耀光栅,用来倾斜波前匹配出太赫兹波。
5.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(4)中器件的工作频段是0.1THz-3THz,是下一代通信的核心频率。
6.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(4)中渐变超表面对波导模式的影响是通过波导模式与金属天线的强相互作用,而且由于渐变超表面提供的是单方向的补偿动量,因此对入射的波导模式在传输整个天线阵列的过程中,都在持续增加动量,直到满足所要转化的模式的动量。
7.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(5)中要实现上述的单向传输器件,需要满足两个条件:一是渐变超表面提供了特殊模式转化需要的动量;二是单个天线在波导中的辐射场需要具备某个模式的电场分布特征,超表面沉积在了亚波长波导的表面,选择亚波长波导具有明显的优势:第一提高了超材料对波导模式的调节效率,第二很大程度的减小了设备的体积,为小型化光子集成提供可能;其次将天线偏移或者旋转,目的在于通过调节单个天线在波导中的散射场,使得具有了所要实现的模式的电场特征图。
8.根据权利要求1所述的一种结合渐变超表面和亚波长波导的片上宽谱太赫兹单向传输器,其特征在于,所述步骤(6)中利用光克尔效应和光折变效应,借助泵浦探测系统实现了太赫兹波与渐变超表面结构相互作用的时域分辨探测。
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