CN110707408A - 一种双层金属薄膜太赫兹波分器 - Google Patents

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钟任斌
梁泽坤
黄倢彪
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及太赫兹波技术领域，且公开了一种片上双层金属薄膜太赫兹波分器，包括主干直波导，所述主干直波导呈片状设置，所述主干直波导的一端耦合有两个分支波导，两个所述分支波导关于主干直波导对称设置，所述主干直波导和两个分支波导的表面刻有波分器周期结构，所述主干直波导和两个分支波导为双层金属结构，所述主干直波导和两个分支波导的双层金属结构置于基底上。所述主干直波导和两个分支波导上的波分器周期结构两侧设置有若干个槽深渐变结构。所述基底为F4B材质设置。所述金属结构为铜材质设置。所述波分器周期结构通过在金属表面刻蚀槽形成的。该波分器用双层反向对称结构金属薄膜取代传统单层金属薄膜，使得对于电磁波的束缚性更强。

Description

一种双层金属薄膜太赫兹波分器
技术领域
本发明涉及太赫兹波技术领域，具体为一种双层金属薄膜太赫兹波分器。
背景技术
太赫兹波是指频率范围大概在0.1THz-10THz的电磁辐射，其对应的波长范围大概为0.03mm-3mm介于无线电波和光波之间。由于高效率的太赫兹源和探测器等太赫兹器件的开发进展缓慢，因此太赫兹技术发展速度相较其他行业稍显缓慢。但是太赫兹波可以携带大量丰富的信息，且安全性高、定向性好，在许多军事、民用领域都具有着良好的前景。
表面等离激元(SPPs)是电磁波激励贵金属表面形成的局域在金属表面的电磁模式。主要工作在可见光、近红外等高频频段，其优势是亚波长束缚。人工表面等离激元(SpoofSPPs)是利用周期排布的特定金属结构，实现微波、太赫兹等低频段类似于SPPs色散特性的表面波，同样具有能量高度束缚等特点。这样的周期排布表面结构的优点在于可以通过调节周期单元的构型、尺寸和排布形式来控制材料的电磁参数，从而获得多种新颖的电磁特性，被称为仿表面等离子激元(SSPPs)。可实现电磁波的有效导引、电磁波调制、电磁功率分配以及表面传感等应用。
作为在通信系统中关键的无源器件，波分器可以将输入信号的能量平均或者不平均的输出到两个或者多个端口中。也可以反过来将多路信号能量合成一路输出，此时称为合路器。波分器的输出端口之间应该有能实现有效隔离。功率分配器的主要技术参数包括功率损耗、端口电压驻波比、功率分配端口之间的隔离度、幅度平衡度、相位平衡度、功率容量和频带带宽等。
基于SSPPs的THz功能器件，尺寸可以做的很更小，更有利于器件的集成化；如果与光频段SPPs进行比较，太赫兹频段的SSPPs的传播距离能够更长，利于实际系统应用。目前，太赫兹频段基于SSPPs的功能器件主要是单层结构，对电磁波的束缚能力较弱，特别是器件发生稍微的弯折，就会造成较严重辐射损耗。且在系统集成化、片上化应用中不便于与其他器件的耦合匹配连接。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双层金属薄膜太赫兹波分器，较之传统的单层波分器该波分器采用了反向对称的双层周期性结构，使得其更易实现与片上其他上下级元器件端口的有效耦合连接、同时对导行电磁波的束缚性更强，解决了传统的周期结构功能器件主要为单层结构，对电磁波的束缚性较弱，易受周围环境影响的问题和难于与其他片上元器件耦合连接的问题。进一步，波分器主干波导与分支波导设置有周期渐变结构。解决了波分器端口与上下级元器件端口之间，及波分器端口与自身周期结构之间耦合效率低的问题。
(二)技术方案
为实现上述增强对电磁波的束缚和引导，便于与其他端口有效匹配利于片上应用的目的，本发明提供如下技术方案：一种双层金属薄膜太赫兹波分器，包括主干直波导，所述主干直波导呈片状设置，所述主干直波导的一端耦合有两个分支波导，两个所述分支波导关于主干直波导对称设置，所述主干直波导和两个分支波导的表面刻有波分器周期结构，所述主干直波导和两个分支波导为双层金属结构，所述主干直波导和两个分支波导的双层金属结构置于基底上。
优选的，所述主干和两个分支波导上的直波导与波分器周期结构之间设置有若干个槽深渐变结构。
优选的，所述基底为F4B材质设置。
优选的，所述金属结构为铜材质设置。
优选的，所述波分器周期结构通过在金属表面刻蚀槽形成的。
优选的，所述波分器周期结构为波分器双层反向对称结构有利于电磁波的有效束缚及引导。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种双层金属薄膜太赫兹波分器，具备以下有益效果：
1、该双层金属薄膜太赫兹波分器，通过设置主干直波导、分支波导和波分器周期结构与双层反向对称结构，使得该装置对于电磁波的束缚性要更强。
2、该双层金属薄膜太赫兹波分器，通过设置槽深渐变结构，便于解决能量传输时的波矢匹配和反射问题。
3、该双层金属薄膜太赫兹波分器，通过双层结构设计，方便并优化了与上下级片上元器件的能量输入输出耦合。
附图说明
图1为本发明提出的一种双层金属薄膜太赫兹波分器结构示意图；
图2为波分器主干单元；
图3为波分器分支单元；
图4为垂直于电磁波传播方向的横截面上的电场分布；
图5为微波频段波分器实验测试S参数图；
图6为主干和分支两种结构色散曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种双层金属薄膜太赫兹波分器，包括主干直波导和两条分支波导及对应的渐变输入输出端口耦合结构构成，图中波分器周期结构通过在金属表面刻蚀槽形成的，金属层使用铜,其电导率5.96×107s/m，厚度t＝0.4μm，双层金属结构置于厚度为d＝6μm的F4B基底上，分支部分弯曲段曲率半径R＝600μm，旋转角度21度，考虑到后期测试连接50欧姆同轴测试S参数端口匹配，微带宽度设置为16μm，同时考虑能量传输时的波矢匹配和反射问题，也在能量馈入、输出端与周期性波导结构之间设置了一个深渐变结构，个数为9个，槽深度依次为22μm,20μm,18μm,16μm,14μm,12μm,10μm,8μm,6μm渐变；参照图1一种双层金属薄膜太赫兹波分器结构示意图。
当其中主干周期单元尺寸：周期p＝30μm，开槽深度h取24μm，槽宽g取12μm，w取30μm(即主干单元的宽度为60μm)；分支周期单元：周期p取30μm，开槽深度h取24μm，槽宽g取12μm；金属厚度t取0.4μm，基底厚度d取6μm，图6给出了主干和分支两种结构色散曲线对比，从图中可以观察到这两种结构色散曲线几乎重合，也即在频率相同的情况下电磁波在主干和分支波导的传播常数也是相同的，两种有着相同的传播常数的波导连接在一起，可以获得良好的耦合匹配，电磁波容易从一个波导有效耦合到另一波导，因此，以图2和图3的单元阵列结构为波分器的实现提供了良好的结构基础；参照图2和图3波分器主干单元和分支单元。
可见场集中在双层金属薄膜间隙之间，在金属表面垂直和切向方向场局域效果都非常好。观察0.6THz时候主干波导和分支波导单元在介质中心沿着y方向的电场分布，灰色曲线代表主干波导电场分布曲线，电场在y<-25μm以及y>25μm范围之外，呈指数衰减，电场主要集中在y＝-25μm至y＝+25μm之间，即场集中在大约50μm的宽度范围，而主干的宽度约60μm，说明了金属薄膜附近集中了较多的场能量，在金属边缘达到最大值，表明结构对于SSPPs波有强束缚性；同理，黑色的曲线代表分支波导处电场的分布曲线，在y＝-75μm至y＝+75μm之间几乎无场分布，这段y方向上的150μm距离正好对应于两条分支波导臂之间相距163μm无金属结构的区域，说明分支波导有效将主干波导能量分流到两分支波导，并被分支波导结构有效局域和导引，起到了很好的分流作用。总之，我们注意到电场集中在亚波长槽中，并且沿着y方向指数衰减。而且电场分布对称，在实现波矢匹配的条件下可以有效减少主干和分支波导连接处的反射；参照图4垂直于电磁波传播方向的横截面上的电场分布。
将波分器尺寸放大100倍后传输参数的实测与仿真结果比较，两者结果吻合。其中S11在2-5.5GHz范围小于-10dB，S21和S31在2-6GHz范围波分效率最高，显示出良好的波分效果；参考图5微波频段波分器实验测试S参数图
综上所述，该双层金属薄膜太赫兹波分器，所提出的双层结构在主干段和分支段具有非常一致的色散曲线，为实现有效波分效果提供了结构基础。利用双层结构，本发明所提出的波分器的电场主要分布在双层金属薄膜之间，且同时在金属薄膜的切向方向对电磁波具有良好的局域性。从色散曲线比较，在相同尺寸下，双层结构的色散曲线相较传统单层结构的更加偏离光速线，也表明双层结构对于电磁波的束缚性要更强。该波分器最佳的工作频段位于在0.25THz-0.45THz宽频带范围内。波分器周期单元结构尺寸影响结构对场的约束性，同时也影响工作频率及带宽，槽深度越大，对于电磁波的束缚性越强，也即场更加束缚在槽间隙中。槽宽在一定阈值内取不同值的时候，即使单元结构的槽宽不同，但它们的色散特性几乎一致；因此，可以根据器件所需工作频段，来选择结构的槽深及槽宽；同时，由于器件的纵向宽度对于色散曲线影响很小，因此可以尽量选择较小尺寸，以实现纵向阵列的高度紧凑效果。从色散曲线角度观察，在相同尺寸下，双层结构的色散曲线相较传统的单层结构更加偏离光速线，因此，双层结构对于电磁波的束缚性要更强。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种双层金属薄膜太赫兹波分器，包括主干直波导(1)，其特征在于：所述主干直波导(1)呈片状设置，所述主干直波导(1)的一端耦合有两个分支波导(2)，两个所述分支波导(2)关于主干直波导(1)对称设置，所述主干直波导(1)和两个分支波导(2)的表面刻有波分器周期结构(3)，所述主干直波导(1)和两个分支波导(2)为双层金属结构，所述主干直波导(1)和两个分支波导(2)的双层金属结构置于基底上。
2.根据权利要求1所述的一种双层金属薄膜太赫兹波分器，其特征在于：所述主干直波导(1)和两个分支波导(2)上的波分器周期结构(3)两层均设置有若干个槽深渐变过渡结构。
3.根据权利要求1所述的一种双层金属薄膜太赫兹波分器，其特征在于：所述主干波导(1)和两个分支波导(2)上的波分器周期结构为反向对称结构。
4.根据权利要求1所述的一种双层金属薄膜太赫兹波分器，其特征在于：所述基底为F4B材质设置。
5.根据权利要求1所述的一种双层金属薄膜太赫兹波分器，其特征在于：所述金属结构为铜材质设置。
6.根据权利要求1所述的一种双层金属薄膜太赫兹波分器，其特征在于：所述波分器周期结构(3)通过在金属表面刻蚀槽形成的。
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