CN115267968A - 基于自成像效应的人工表面等离激元太赫兹波分复用器 - Google Patents

基于自成像效应的人工表面等离激元太赫兹波分复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波分复用器，包括基底层，所述基底层上形成有波分复用器模块，所述波分复用器模块包括由若干个第一金属柱等间隔设置构成的第一输入端口，所述第一输入端口的内侧设置有由若干个第二金属柱等间隔设置构成的第一多模干涉腔，所述第一多模干涉腔的外侧设置有由若干个第三金属柱等间隔设置构成的第一输出端口和由若干个第四金属柱等间隔设置构成的连接部，所述连接部的外侧形成有由若干个第五金属柱等间隔设置构成的第二多模干涉腔，所述第二多模干涉腔的外侧形成有两个并排设置的第二输出端口以及第三输出端口。所述波分复用器能够实现分频效果，进而输出不同频率。

Description

基于自成像效应的人工表面等离激元太赫兹波分复用器
技术领域
本发明涉及太赫兹表面等离激元领域，尤其涉及一种能够将入射的太赫兹表面波分成三个频率从不同的端口输出的太赫兹波分复用器。
背景技术
太赫兹（THz）波位于电磁波谱中的微波和红外波之间，其频率通常被定义为0.1-10 THz，是电子学向光子学的过渡区域。 近年来，由于太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波表现出了广泛的应用，包括太赫兹光谱学、安全检测、质量控制、通信、传感、医学成像等。虽然太赫兹系统和器件发展迅速，但传统太赫兹器件尺寸较大，而且存在自由空间光路占空间大，导致太赫兹系统体积庞大。片上集成器件由于其小型化、高性能、响应速度快等一系列优势成为了太赫兹系统的未来发展方向，其中太赫兹表面等离激元就是其中一个很有前途的方法，它可以将在三维空间中传输的太赫兹波限制在二维平面上，并且具有局域场增强等特性，可以实现在亚波长长度上的精细调控。
表面等离激元（SPP）是一种由集体电子振荡而产生的一种电磁波，可以在金属线或者平的金属表面进行传播，其已经在光学和微波频段得到大量研究和实验验证。表面等离激元具有比空间波更大的波矢量，使得其电场局域在金属表面，从而得到了增强。电场与金属之间的相互作用也使垂直电场从界面到空间呈指数衰减，这使得电场对介电折射率的变化极为敏感。然而，早期的研究人员对太赫兹表面等离激元的研究比较匮乏，因为金属在太赫兹区域的行为接近完美的理想导体，电磁波无法渗透进金属进行传播，这样虽然可以传播很长的距离，但是电场在空气中的穿透深度很大，无法对表面波进行有效操控。另一方面太赫兹近场探测系统也比较缺乏，无法对表面波进行直接探测。 为了解决这个问题，Pendry等人提出了人工表面等离激元的概念，通过在金属表面加工周期性结构，模拟光波段电磁波穿透金属的现象，从而使得太赫兹表面波能够得到操控，而Jeon等人利用太赫兹时域光谱仪观察到了太赫兹表面波的传播，解决了无法探测的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够实现分频效果，进而输出不同频率的太赫兹表面波的太赫兹波分复用器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种太赫兹波分复用器，其特征在于：包括基底层，所述基底层上形成有波分复用器模块，所述波分复用器模块包括由若干个第一金属柱等间隔设置构成的第一输入端口，所述第一输入端口的内侧设置有由若干个第二金属柱等间隔设置构成的第一多模干涉腔，所述第一多模干涉腔的外侧设置有由若干个第三金属柱等间隔设置构成的第一输出端口和由若干个第四金属柱等间隔设置构成的连接部，所述连接部的整体长度小于所述第一输出端口的长度，所述连接部的外侧形成有由若干个第五金属柱等间隔设置构成的第二多模干涉腔，所述第二多模干涉腔的外侧形成有两个并排设置的第二输出端口以及第三输出端口，所述第二输出端口与所述第三输出端分别由若干个第六金属柱以及第七金属柱等间隔设置构成；基于周期性金属柱波导结构，利用不同波导中模式数不同，在宽波导中多个模式互相干涉而形成的自成像效应，实现分频效果，再通过串联两个干涉腔，最终实现三信道波分复用器。
进一步的技术方案在于：所述第一金属柱设置有五个，所述第一金属柱的长度为50 μm，宽为120 μm，高度为70 μm，两个第一金属柱之间的距离为100 μm。
进一步的技术方案在于：所述第二金属柱设置有33个，所述第二金属柱的长度为50 μm，宽度为540 μm，高度为70 μm，两个第二金属柱之间的距离为100 μm，整个第一多模干涉腔的整体长度为3300 μm。
进一步的技术方案在于：所述第四金属柱的结构与所述第一金属柱的结构相同，且第四金属柱设置有四个，两个第四金属柱之间的距离为100 μm。
进一步的技术方案在于：所述第三金属柱结构与所述第一金属柱的结构相同，且所述第三金属柱设置有30个，且两个第三金属柱之间的距离为100 μm。
进一步的技术方案在于：所述第五金属柱设置有16个，所述第五金属柱的长度为50 μm，宽度为550 μm，高度为70 μm，两个第五金属柱之间的距离为100 μm，整个第二多模干涉腔的整体长度为1600 μm。
进一步的技术方案在于：所述第二输出端口与所述第三输出端的结构相同，第六金属柱结构以及第七金属柱结构与所述第一金属柱的结构相同，且第六金属柱以及第七金属柱各设置有10个。
进一步的技术方案在于：所述第一输入端口中输入0.6THz-0.75 THz的宽带太赫兹人工表面等离激元，第一输出端口输出0.61 THz的太赫兹人工表面等离激元，第二输出端口输出0.68 THz的太赫兹人工表面等离激元，第三输出端口输出0.72 THz的太赫兹人工表面等离激元。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明基于周期性金属柱波导结构，利用不同波导中模式数不同，在宽波导中多个模式互相干涉而形成的自成像效应，从而实现分频效果，再通过串联两个干涉腔，最终实现三信道波分复用器，在输入宽频带的太赫兹表面波谱时，三个不同频率的太赫兹表面波可以从不同的端口输出。本申请相对带褶皱的金属薄膜波导，其电场偏振不同，可以用太赫兹近场探测系统对其进行表征。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明涉及的波导单元结构色散曲线图；
图2为本发明涉及的多模干涉而形成的自成像效应的模拟效果。
图3为本发明实施例涉及的3通道波分复用器结构示意图，由两个多模干涉腔级联而成。
图4为本发明实施例涉及的端口2、3和4的输出频谱图。
图5为本发明实施例对应结构在频率为0.61 THz的表面波从端口1入射时的结果仿真图。
图6为本发明实施例对应结构在频率为0.68 THz的表面波从端口1入射时的结果仿真图。
图7为本发明实施例对应结构在频率为0.72 THz的表面波从端口1入射时的结果仿真图；
其中：1、基底层；2、第一金属柱；3、第二金属柱；4、第三金属柱；5、第四金属柱；6、第五金属柱；7、第六金属柱；8、第七金属柱。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图3所示，本发明实施例公开了一种太赫兹波分复用器，包括基底层（1），所述基底层1上形成有波分复用器模块，所述波分复用器模块包括由若干个第一金属柱2等间隔设置构成的第一输入端口，所述第一输入端口的内侧设置有由若干个第二金属柱3等间隔设置构成的第一多模干涉腔，所述第一多模干涉腔的外侧设置有由若干个第三金属柱4等间隔设置构成的第一输出端口和由若干个第四金属柱5等间隔设置构成的连接部，所述连接部的整体长度小于所述第一输出端口的长度，所述连接部的外侧形成有由若干个第五金属柱6等间隔设置构成的第二多模干涉腔，所述第二多模干涉腔的外侧形成有两个并排设置的第二输出端口以及第三输出端口，所述第二输出端口与所述第三输出端分别由若干个第六金属柱7以及第七金属柱8等间隔设置构成；基于周期性金属柱波导结构，利用不同波导中模式数不同，在宽波导中多个模式互相干涉而形成的自成像效应，实现分频效果，再通过串联两个干涉腔，最终实现三信道波分复用器。
本实例涉及的太赫兹人工表面等离激元波分复用器的主体结构包括基底层和金属柱层，材料均为金（可用银、铜、铝等金属代替），基底厚度为500 μm，输出波导与多模干涉腔相连接，参数与输入波导参数一致。在模拟软件中从端口1处输入太赫兹人工表面等离激元，端口2、3和4则为输出端口。
优选的，所述第一金属柱2设置有五个，所述第一金属柱2的长度为50 μm，宽为120μm，高度为70 μm，两个第一金属柱2之间的距离为100 μm。所述第二金属柱3设置有33个，所述第二金属柱3的长度为50 μm，宽度为540 μm，高度为70 μm，两个第二金属柱3之间的距离为100 μm，整个第一多模干涉腔的整体长度为3300 μm。所述第四金属柱5的结构与所述第一金属柱2的结构相同，且第四金属柱5设置有四个，两个第四金属柱5之间的距离为100 μm。所述第三金属柱4结构与所述第一金属柱2的结构相同，且所述第三金属柱4设置有30个，且两个第三金属柱4之间的距离为100 μm。所述第五金属柱6设置有16个，所述第五金属柱6的长度为50 μm，宽度为550 μm，高度为70 μm，两个第五金属柱6之间的距离为100 μm，整个第二多模干涉腔的整体长度为1600 μm。所述第二输出端口与所述第三输出端的结构相同，第六金属柱7以及第七金属柱8与所述第一金属柱2的结构相同，且第六金属柱7以及第七金属柱8各设置有10个。需要说明的是，本申请各个部分中金属柱的个数以及具体尺寸等不受以上数据的限制，上述数据只是本申请的优选方案。
下面结合具体测试效果对上述单元和器件进行详细说明：
本申请所述波分复用器的波导色散曲线如图1所示，波导宽度为120 μm时，波导中可传播的一阶和二阶模式分别在0.65和1.15 THz附近进行传播，两种模式无法在同频率下传播，也就没有模式之间的互相干涉。通过将波导宽度w从120 μm增加到550 μm，一阶模式色散曲线变化很小，而二阶模式截止频率降低，可以在0.65 THz附近正常传播，也就是说两种模式可以在同一频率下被激发和传播，模式1和2的电场分布截面图如图1右侧插图所示。
为了在宽波导中激发出多个模式，把一个宽为120 μm的输入波导放在多模干涉腔的前面，通过端口1输入基模后，多模干涉腔中会产生图1所示的两种模式，由于这两种模式的等效折射率不同，当它们同时在波导中传播时，就会产生相位差，这种情况下，两个模式互相干涉就会产生自成像效应：输入电场截面会在波导传播的方向上以一定的周期出现它的复制。当两个模式相位差达到π时，会在入射波导的镜像位置产生入射电场的复制，如图2中L π处所示；当两个模式相位差达到2π时，会在入射波导的对应位置产生入射电场的复制，如图2中2L π处所示，之后以这样的周期重复。其中L π的计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中k i 为模式i（i = 1, 2）的波矢。对于不同的频率，两个模式的波矢差不同，入射电场重复的周期也就不同，这样就有了通过干涉使不同频率入射场从不同端口出射的可能。
本申请的三通道波分复用器示意图如图3所示，在端口1所示的入射波导后连接多模干涉腔1，在选定多模干涉腔基本单元参数为长度50 μm，宽度540 μm，高度70 μm以及周期为100 μm后，使用商业模拟软件计算，0.61、0.68和0.72 THz处对应的L π分别为1667、1125和818 μm，其2、3和4倍长度分别为3334、3375和3272 μm，因此我们选择多模干涉腔长度为3300 μm，此时，频率为0.61和0.72 THz的入射电场恰好在同侧形成复制，而频率为0.68 THz的入射电场恰好在镜像位置形成复制，而后再使用两根窄波导分别输出太赫兹人工表面等离激元。0.68 THz处的人工表面等离激元从端口2直接输出，而0.61和0.72 THz处的人工表面等离激元通过中间的连接波导进入第二个多模干涉腔。多模干涉腔2的宽度为550 μm，长度1600 μm，0.61和0.72 THz处的入射电场分别在镜像侧和同侧产生复制，最终通过端口3和端口4输出。0.61、0.68和0.72 THz处对应的模拟结果如图4-6所示，可以看到，不同频率的入射电场分别从不同的端口输出，达到了波分复用的效果。
图7中三条线分别为端口2（S21）、端口3（S31）和端口4（S41）的透射谱，可以看到在0.61、0.68和0.72 THz中心频率处，插入损耗分别为-4、-2 和-4 dB，消光比分别可以达到-7、-16和-12 dB，验证了器件的优越性能。同时，器件总体大小为6 mm×1 mm，体积较小，为以后片上集成提供了手段。
本发明基于周期性金属柱波导结构，利用不同波导中模式数不同，在宽波导中多个模式互相干涉而形成的自成像效应，从而实现分频效果，再通过串联两个干涉腔，最终实现三信道波分复用器。
在本发明中，输入0.6-0.75 THz的宽带太赫兹人工表面等离激元，三个输出端口的输出信号分别为0.61 THz、0.68 THz和0.72 THz，波导的制作材料为金（可用银、铜、铝等金属代替，不影响器件效果），单元结构高度为70 μm，基底厚度为500 μm（基底是提供波导传输的支撑材料，其厚度不影响实施效果），太赫兹人工表面等离激元的传播在波导结构上方。
本发明在基于周期性金属柱的太赫兹人工表面等离激元波导中首次提出了多模波导中的自成像效应，相对带褶皱的金属薄膜波导，其电场偏振不同，可以用太赫兹近场探测系统对其进行表征，通过串联两个多模干涉波导，设计了一种窄带分三频的波分复用器，其串联的思想也为更多信道的波分复用器提供了指导。

Claims (10)

1.一种太赫兹波分复用器，其特征在于：包括基底层（1），所述基底层（1）上形成有波分复用器模块，所述波分复用器模块包括由若干个第一金属柱（2）等间隔设置构成的第一输入端口，所述第一输入端口的内侧设置有由若干个第二金属柱（3）等间隔设置构成的第一多模干涉腔，所述第一多模干涉腔的外侧设置有由若干个第三金属柱（4）等间隔设置构成的第一输出端口和由若干个第四金属柱（5）等间隔设置构成的连接部，所述连接部的整体长度小于所述第一输出端口的长度，所述连接部的外侧形成有由若干个第五金属柱（6）等间隔设置构成的第二多模干涉腔，所述第二多模干涉腔的外侧形成有两个并排设置的第二输出端口以及第三输出端口，所述第二输出端口与所述第三输出端分别由若干个第六金属柱（7）以及第七金属柱（8）等间隔设置构成；基于周期性金属柱波导结构，利用不同波导中模式数不同，在宽波导中多个模式互相干涉而形成的自成像效应，实现分频效果，再通过串联两个干涉腔，最终实现三信道波分复用器。
2.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第一金属柱（2）设置有五个，所述第一金属柱（2）的长度为50 μm，宽为120 μm，高度为70 μm，两个第一金属柱（2）之间的距离为100 μm。
3.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第二金属柱（3）设置有33个，所述第二金属柱（3）的长度为50 μm，宽度为540 μm，高度为70 μm，两个第二金属柱（3）之间的距离为100 μm，整个第一多模干涉腔的整体长度为3300 μm。
4.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第四金属柱（5）的结构与所述第一金属柱（2）的结构相同，且第四金属柱（5）设置有四个，两个第四金属柱（5）之间的的距离为100 μm。
5.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第三金属柱（4）结构与所述第一金属柱（2）的结构相同，且所述第三金属柱（4）设置有30个，且两个第三金属柱（4）之间的距离为100 μm。
6.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第五金属柱（6）设置有16个，所述第五金属柱（6）的长度为50 μm，宽度为550 μm，高度为70 μm，两个第五金属柱（6）之间的距离为100 μm，整个第二多模干涉腔的整体长度为1600 μm。
7.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第二输出端口与所述第三输出端口的结构相同，第六金属柱（7）以及第七金属柱（8）与所述第一金属柱（2）的结构相同，且第六金属柱（7）以及第七金属柱（8）各设置有10个。
8.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述第一输入端口中输入0.6THz-0.75 THz的宽带太赫兹人工表面等离激元，第一输出端口输出0.61 THz的太赫兹人工表面等离激元，第二输出端口输出0.68 THz的太赫兹人工表面等离激元，第三输出端口输出0.72 THz的太赫兹人工表面等离激元。
9.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述基底层的厚度为500 μm。
10.如权利要求1所述的太赫兹波分复用器，其特征在于：所述波分复用器使用金、银、铜或铝材料进行制作。
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