CN109768393A - 一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，该器件包括两层金属阵列及其中间的介质层，每个结构单元由顶层的轴对称双L形金属贴片、中间介质层、底层的中心对称双L形金属贴片组成。当x极化波正向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全透射。当x极化波反向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全反射。利用同一极化波正向和反向入射到器件表面时的透射率不同，该器件在1.00‑1.60THz频率范围内实现了电磁波的非对称传输。

Description

一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件

技术领域

本发明涉及一种太赫兹非对称传输器件，具体是一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件。

背景技术

太赫兹(Terahertz)波位于微波和红外光之间，频率范围为0.1～10THz。20世纪80年代，美国Bell实验室的Auston等人发现了砷化镓光电导探测效应，太赫兹源和探测器相继出现，太赫兹技术开始迅速发展。与微波、毫米波相比，太赫兹波波长更短，空间分辨率更高；与红外波段相比，太赫兹波能更好地适应恶劣天气；与X射线相比，太赫兹波不会对物质产生破坏作用，因此太赫兹技术在雷达、医学、成像、检测等方面有巨大的应用前景。此外，太赫兹通信具有容量大、方向性好、保密性及抗干扰能力强等特点，已被许多国家和地区列为第六代移动通信技术的主要研究内容。太赫兹技术已经成为当今世界的研究热点之一。

电磁波的非对称传输指的是电磁波从不同方向入射到媒质后会表现出不同的传输特性，这些特性包括且不局限于透射特性、反射特性、吸收特性、极化转换特性等。在军事和民用通信等领域中，很多器件的工作都依赖于电磁波的非对称传输，如隔离器、环形器、天线罩等。非对称传输器件主要应用在环形器、二极管、开关等功能器件中，需求日益增加，研究工作在太赫兹波段的非对称传输器件具有重要的理论和应用价值。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中太赫兹波段的非对称传输器件较少、工作带宽较窄、非对称传输参数较小等问题，提出了一种基于超材料的、适用于1.00-1.60THz频段的宽带太赫兹非对称传输器件。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，该器件由具有亚波长周期结构的超材料组成。包括若干在x和/或y方向阵列排列的超材料结构单元，所述超材料结构单元由上下两层金属贴片和中间的介质层组成，所述上层金属贴片为轴对称的双L形金属贴片，所述下层金属贴片为中心对称的双L形金属贴片，利用电磁波正向和反向入射到超材料表面时，其透射率之差来衡量器件的非对称传输性能。

本传输器件的作用在于利用线极化波正向和反向入射到器件表面时透射率的不同，用于调控太赫兹波的传播方向。在超材料结构单元中上下两层金属层的轴对称双L形和中心对称双L形金属贴片均为1个。

所述轴对称的双L形金属贴片和中心对称的双L形金属贴片中的两个L形贴片的间距均为16μm。

所述L形贴片的高为55μm，臂长为24μm，贴片宽为8μm。

所述超材料结构单元的介质层为正方形。

所述超材料结构单元在x和/或y方向阵列排列的排列周期为70μm。

所述介质层材料为硅，所述金属贴片材料为金、铜或铝。

所述介质层的厚度为11μm，金属金属贴片的厚度为5μm。

本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，适合大规模推广应用。x极化波正向入射到器件表面时，发生交叉极化转换，绝大部分太赫兹波转换为y极化波透射出去；而当x极化波反向入射到器件表面时，没有发生交叉极化转换，绝大部分太赫兹波发生反射，因此表现出非对称传输现象，且非对称传输参数大。

附图说明

图1基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件的金属贴片平面结构示意图；

图2非对称传输器件的透射谱线；

图3基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件的非对称传输参数；

图4非对称传输器件在1.334THz的x极化波正向(a)和反向(b)入射时顶层和底层金属的表面电流分布；

图5非对称传输器件在1.334THz的x极化波正向(a)和反向(b)入射时的电场分布。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述，但不是对本发明的限定。

本发明的太赫兹非对称传输器件如图1所示，器件包括两层金属阵列及其中间的介质层，每个结构单元由顶层的轴对称双L形金属贴片、中间介质层、底层的中心对称双L形金属贴片组成。当x极化波正向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全透射。当x极化波反向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全反射。利用同一极化波正向和反向入射到器件表面时的透射率不同，该器件在1.00-1.60THz频率范围内实现了电磁波的非对称传输。

以金属层材料为铜的非对称传输器件为例。本器件的超材料结构单元以P＝70μm的周期在x、y方向排列为阵列。结构单元由上下两层金属贴片和中间的介质层组成，上层金属层为轴对称的双L形金属贴片，下层金属层为中心对称的双L形金属贴片，两个L形贴片的间距为w＝16μm。

所述介质层材料为硅，厚度为11μm。

所述金属层材料为金属铜，厚度为5μm。

所述L形金属贴片高h＝55μm，臂长l＝24μm，贴片宽w1＝8μm。

图2为实施示例中双L形超材料的透射谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为THz；纵坐标表注的Transmission表示太赫兹波的透射谱线。由图可知，当x极化波正向入射到超材料表面时，交叉极化转换系数t_xy≠t_yx，其中在1.210-1.375THz范围内，t_yx＞0.9而t_xy＜0.06，这表明x极化波正向垂直入射时，绝大部分能量被耦合到超材料表面，并交叉转换成y极化波透射出去；而当x极化波反向垂直入射时，几乎被完全反射，从而表现为线极化波的非对称传输。

图3为线极化波正向垂直入射到基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件时的非对称传输参数。由图可知在1.174-1.420THz范围内，△^x＞0.6，带宽为0.246THz，其中在1.207-1.377THz内，△^x＞0.8，带宽为0.170THz，这表明所设计的器件在宽带范围内实现了良好的非对称传输性能。同时在1.334THz处，△^x达到峰值0.859。

图4非对称传输器件在1.334THz的x极化波正向(a)和反向(b)入射时顶层和底层金属的表面电流分布。由图4(a)可知，当x极化波正向垂直入射到该结构表面时，平行电流产生的电偶极子和反向平行电流产生的磁偶极子相互作用，导致了强烈的交叉耦合，从而透射率高。由图4(b)可知，当x极化波反向垂直入射到超材料表面时，金属表面电流小，交叉耦合低，因此透射率低。

图5非对称传输器件在1.334THz的x极化波正向(a)和反向(b)入射时的电场分布。由图5(a)可知，当x极化波正向垂直入射时，电场旋转了90°，此时入射的x极化波几乎被完全转化为y极化波出射，x极化波与y极化波之间的交叉转换使得此时x极化波有较高的正向透射率。由图5(b)可知，当x极化波反向垂直入射时，电场方向没有发生旋转，此时入射的x极化波没有发生交叉极化转换，因此反向透射率低。

尽管已经描述和示出了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其同等物限定。

Claims (7)

1.一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：包括若干在x和/或y方向阵列排列的超材料结构单元，所述超材料结构单元由上下两层金属贴片和中间的介质层组成，所述上层金属贴片为轴对称的双L形金属贴片，所述下层金属贴片为中心对称的双L形金属贴片。

2.根据权利要求1所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述轴对称的双L形金属贴片和中心对称的双L形金属贴片中的两个L形贴片的间距均为16μm。

3.根据权利要求2所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述L形贴片的高为55μm，臂长为24μm，贴片宽为8μm。

4.根据权利要求1或2或3所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述超材料结构单元的介质层为正方形。

5.根据权利要求4所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述超材料结构单元在x和/或y方向阵列排列的排列周期为70μm。

6.根据权利要求1或2或3或5所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述介质层材料为硅，所述金属贴片材料为金、铜或铝。

7.根据权利要求6所述一种基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述介质层的厚度为11μm，金属金属贴片的厚度为5μm。