一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于波導(dǎo)型太赫茲功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器。一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，由兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的周期圓柱狀中空波導(dǎo)，波導(dǎo)a和波導(dǎo)b連接而成，所述圓柱狀中空波導(dǎo)在太赫茲頻段具有布拉格和非布拉格禁帶，禁帶位置交錯(cuò)出現(xiàn)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)便且成本低廉；無(wú)方向要求，反射器雙向可用，且反射頻帶和反射率沒(méi)有較大變化；寬反射頻帶0.76?1.46THz,最高反射率能達(dá)到99.9％；可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制改變反射頻帶和反射率；反射器為完全的金屬閉合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，不需要考慮封裝問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于波導(dǎo)型太赫茲功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)的寬帶太赫茲反射器。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于太赫茲波具有瞬態(tài)性、相干性、寬譜帶、低光子能量等優(yōu)點(diǎn)，所以在物質(zhì)識(shí)別、 信息通信、成像、醫(yī)學(xué)診斷、空間探測(cè)、安全檢查、空間天文學(xué)乃至軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的 應(yīng)用。但在太赫茲系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用時(shí)則依賴于太赫茲功能器件，與之相關(guān)的太赫茲功能器 件有傳導(dǎo)、分束、濾波等器件。尤其是在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)和太赫茲通信系統(tǒng)中迫切需要 損耗小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和寬帶的太赫茲反射器。
[0003] 目前，太赫茲反射器主要是基于鏡面反射、一維光子晶體、反射光柵、氧化物薄膜 等結(jié)構(gòu)，且已經(jīng)取得了許多研究成果。2008年，張戎等人在《物理學(xué)報(bào)》發(fā)表文章《太赫茲無(wú) 線通信系統(tǒng)中的反射器研究》，利用聚偏氟乙烯/聚碳酸酯一維光子晶體在亞太赫茲波段具 有較高的反射率、較寬的反射帶寬和全方位反射等優(yōu)點(diǎn)，得到了95%以上區(qū)域反射率;2013 年，Wei-En Lai和Yao-Hua Zhu等人在Optical Materials發(fā)表了論文"A novel reflector of AZO thin films applicable for terahertz devices"，指出慘雜錯(cuò)的氧化鋅薄膜反 射器在太赫茲波段具有較高的反射率；2014年，Wei-En Lai等人在International Symposium on Optoelectronic Technology and Application 2014:Infrared Technology and Applications會(huì)議上的發(fā)表了 "A tunable reflector based on V〇2thin films in terahertz optical systems"，報(bào)道了一種二氧化f凡的薄膜太赫茲反 射器。反射率會(huì)隨溫度發(fā)生變化，最高能達(dá)到85 %，工作的頻帶范圍在0.1-2.5THz。上述結(jié) 構(gòu)的太赫茲反射器與周期型復(fù)合波導(dǎo)型反射器相比，制作工藝復(fù)雜，制作成本相對(duì)較高，且 不能同時(shí)具有較寬的反射帶寬和較高的反射率。
[0004] 本發(fā)明提供了一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，由于波導(dǎo)反射器是完 全的金屬閉合中空結(jié)構(gòu)，所以避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，且加工工藝簡(jiǎn)單，尤其在其反射 性能上同時(shí)具有寬反射頻帶和高反射率等特點(diǎn)，對(duì)太赫茲波技術(shù)的未來(lái)發(fā)展起到了重要作 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，由兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的周期圓柱狀 中空波導(dǎo)，波導(dǎo)a和波導(dǎo)b連接而成，所述圓柱狀中空波導(dǎo)在太赫茲頻段具有布拉格和非布 拉格禁帶，禁帶位置交錯(cuò)出現(xiàn)。
[0008] 這兩個(gè)周期波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由色散曲線得到的：
[0010]其中，廣>代表透射譜的中心頻率，m代表第m階橫向模式，是第m階Bessel函數(shù) 的零點(diǎn)，ro是周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的平均半徑，0是傳播常數(shù)，n是Bragg共振的階數(shù)，A是起伏結(jié)構(gòu) 的周期長(zhǎng)度，每個(gè)波導(dǎo)的半徑rn=rn〇 土 en，其中n = a或b;rai = ra〇-ea稱為短半徑，ra2 = ra〇+ea 稱為長(zhǎng)半徑;e為周期波導(dǎo)壁的起伏高度，長(zhǎng)半徑與短半徑部分的長(zhǎng)度相同為A/2。
[0011] 波導(dǎo)a的周期波導(dǎo)壁的起伏高度￡3 = 〇.13 = 19.27圓山()為波導(dǎo)&的平均半徑，因 此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是ral = 173.43wi^Pra2 = 211.97mi，周期長(zhǎng)度為A a = 171.82mi，周期 個(gè)數(shù)為Na=10;波導(dǎo)b的周期波導(dǎo)壁的起伏高度^ = 0.15〇 = 22.161?11，5()為波導(dǎo)13的平均半 徑，因此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是m = 199.44mi和rb2 = 243.76mi，周期長(zhǎng)度為A b = 197.6mi， 周期個(gè)數(shù)為Nb=10。
[0012]所述兩種周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的管壁用的材料為低損耗金屬，金、鋁或銀。復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 為中空波導(dǎo)，其填充物為空氣。
[0013]所述的寬帶太赫茲反射器是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上加工所述矩形周 期起伏結(jié)構(gòu);成型之后利用X-LIGA工藝在上述結(jié)構(gòu)的表面涂覆一層金屬層，厚度為微米量 級(jí)，再將聚合物腐蝕掉，最后獲得金屬管壁波導(dǎo)。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于：
[0015] 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)便且成本低廉;無(wú)方向要求，反射器雙向可用，且反射頻 帶和反射率沒(méi)有較大變化；寬反射頻帶0.76-1.46THz，最高反射率能達(dá)到99.9 % ;可以通過(guò) 調(diào)節(jié)兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)控制改變反射頻帶和反射率;反射器為完全的金屬閉 合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，不需要考慮封裝問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和剖面圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器的頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0019] 本發(fā)明提供了一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器。它由兩段具有周期結(jié) 構(gòu)的圓柱狀中空波導(dǎo)組合而成(波導(dǎo)a和波導(dǎo)b，波導(dǎo)a的周期波導(dǎo)壁的起伏高度 ea = 0.1ra〇 (ra〇為波導(dǎo)a的平均半徑），因此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是ral和r a2，周期長(zhǎng)度為A a，周期個(gè)數(shù) 為Na;波導(dǎo)b的周期波導(dǎo)壁的起伏高度eb = 0.1rbQ(rbQ為波導(dǎo)b的平均半徑），因此短半徑和長(zhǎng) 半徑分別是rbdPr b2，周期長(zhǎng)度為A b，周期個(gè)數(shù)為Nb)，其波導(dǎo)管壁材料為低損耗金屬。兩個(gè) 波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別由周期變截面波導(dǎo)的布拉格共振和非布拉格共振條件給出。本發(fā)明具 有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、禁帶寬、反射率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在軍事、醫(yī)學(xué)、天體物理等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和A )的大小，使得波導(dǎo)a的布拉格共振以及 非布拉格禁帶和波導(dǎo)b的布拉格禁帶和非布拉禁帶得到合并，即消除通帶，使禁帶變寬。當(dāng) 太赫茲波輻射到波導(dǎo)上時(shí)，在禁帶范圍內(nèi)無(wú)法通過(guò)波導(dǎo)，就可以達(dá)到很高的反射效率。并且 禁帶寬度與中心頻率的比值幾乎能達(dá)到100%。
[0020] 本發(fā)明提供一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，它是由兩段周期結(jié)構(gòu)圓 柱狀中空金屬波導(dǎo)(波導(dǎo)a和波導(dǎo)b)復(fù)合連接而成，其半徑函數(shù)Sr a/b = ra_±ea/b，周期為 A與輸入波的頻率、平均半徑等有關(guān)。波導(dǎo)a和波導(dǎo)b的結(jié)構(gòu)參數(shù)都是由不同橫模間的共振 條件給出的。波導(dǎo)a的周期波導(dǎo)壁的起伏高度e a = 0. lra〇= 19.27wii，;ra()為波導(dǎo)a的平均半徑， 因此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是ral = 173.43_和心2 = 211.97_，周期長(zhǎng)度為A a= 171.82wn，周 期個(gè)數(shù)為1=10;波導(dǎo)b的周期波導(dǎo)壁的起伏高度^ = 0.15〇 = 22.16^11，5()為波導(dǎo)13的平均 半徑，因此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是m = 199.44wii和rb2 = 243.76mi，周期長(zhǎng)度為A b = 197.6y m，周期個(gè)數(shù)為Nb=10。兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的平均半徑、周期個(gè)數(shù)和周期大小是可變的。
[0021] 所述復(fù)合波導(dǎo)管壁材料為低損耗金屬，比如金、銀或鋁。復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為中空波 導(dǎo)，填充物為空氣。其制作方法是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上加工所述矩形周期起 伏結(jié)構(gòu);成型之后利用X-LIGA工藝在上述結(jié)構(gòu)的表面涂覆一層金屬層(厚度為微米量級(jí)即 可），再將聚合物腐蝕掉，最后獲得金屬管壁波導(dǎo)。
[0022] 在周期結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中由于周期結(jié)構(gòu)的存在，橫向模式之間會(huì)發(fā)生共振而產(chǎn)生頻率 禁帶，使得某些頻率范圍的電磁波無(wú)法透過(guò)周期結(jié)構(gòu)。相同橫向模式之間的布拉格共振產(chǎn) 生的禁帶成為布拉格禁帶，而不同橫向模式間的共振將導(dǎo)致非布拉格共振將產(chǎn)生非布拉格 禁帶，且在布拉格禁帶和非布拉格禁帶之間存在一條通帶，這里通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的周期波 導(dǎo)進(jìn)行復(fù)合，使得兩個(gè)波導(dǎo)的布拉格禁帶和非布拉格禁帶進(jìn)行耦合，消除通帶，從而獲得一 種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器。
[0023] 基于兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由色散曲線給出的，其表達(dá)式如下：
[0025] 其中，m代表第m階橫向模式，/cf"是第m階Bessel函數(shù)的零點(diǎn)，ro是周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的 平均半徑，0是傳播常數(shù)，n是Bragg共振的階數(shù)，A是矩形起伏結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)度。當(dāng) m相同時(shí) 是由相同橫向模式之間發(fā)生的共振產(chǎn)生的頻率禁帶，被稱為布拉格共振，這里的波導(dǎo)a是由 相同橫模間的共振條件(m=l，n = 0和m=l，n = l)給出的。當(dāng)m不同時(shí)是由不同的橫向模式 之間發(fā)生的共振產(chǎn)生的頻率禁帶，被稱為非布拉格共振，這里的波導(dǎo)b是由不同橫模間的共 振條件(m=l，n=l和m = 2，n = 0)給出的。在設(shè)計(jì)兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)時(shí)，設(shè)定在工作頻帶附 近分別出現(xiàn)布拉格共振和非布拉格共振頻率禁帶，由于它們的結(jié)構(gòu)尺寸不同，兩個(gè)不同特 性的禁帶連接后，兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的布拉格禁帶和非布拉格禁帶會(huì)發(fā)生耦合從而形成一 個(gè)高性能的周期結(jié)構(gòu)的復(fù)合波導(dǎo)型寬帶太赫茲反射器。根據(jù)上述布拉格和非布拉格的耦合 原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而獲得了高反射率、禁帶寬度寬的波導(dǎo)型太赫茲反 射器。當(dāng)改變兩波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括周期個(gè)數(shù)、周期大小和平均半徑)時(shí)，耦合特性會(huì)發(fā)生 變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)反射系數(shù)和反射頻帶的改變。
[0026] 如圖1所示為本發(fā)明中所述一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器的結(jié)構(gòu)剖 面圖，周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中起伏分別占每個(gè)周期的一半，兩個(gè)波導(dǎo)直接相連。波導(dǎo)a的周期波導(dǎo) 壁的起伏高度e a = 〇.lraQ=19.27Mi，raQ為波導(dǎo)a的平均半徑，因此短半徑和長(zhǎng)半徑分別是 ^ = 173.43_和52 = 211.97_，周期長(zhǎng)度為人3=171.82_，周期個(gè)數(shù)為1=10;波導(dǎo)13的周 期波導(dǎo)壁的起伏高度eb = 〇. lrb〇 = 22.16Mi，rbQ為波導(dǎo)b的平均半徑，因此短半徑和長(zhǎng)半徑分 別是m = 199 ? 44mi和rb2 = 243 ? 76mi，周期長(zhǎng)度為 A b = 197 ? 6mi，周期個(gè)數(shù)為Nb = 10。
[0027] 如圖2所示為反射器的于反射頻段的反射曲線，可以看出反射頻段為0.75-1.46THz，且反射率大于99.9 %。
[0028] 這里所涉及的復(fù)合波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)、尺寸和入射端的選擇都是可以調(diào)節(jié)的，通過(guò) 調(diào)節(jié)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，會(huì)使本復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器的性能發(fā)生改變。
[0029] 以上所述的實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式、尺寸等都是 可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的同等變換和改進(jìn)，均不應(yīng)該排除 在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在于：由兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的 周期圓柱狀中空波導(dǎo)，波導(dǎo)a和波導(dǎo)b連接而成，所述圓柱狀中空波導(dǎo)在太赫茲頻段具有布 拉格和非布拉格禁帶，禁帶位置交錯(cuò)出現(xiàn)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在于:這 兩個(gè)周期波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由色散曲線得到的：其中，Jf >代表透射譜的中心頻率，m代表第m階橫向模式j(luò)f3是第m階Bessel函數(shù)的零 點(diǎn)，ro是周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的平均半徑，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，Λ是起伏結(jié)構(gòu)的周 期長(zhǎng)度，每個(gè)波導(dǎo)的半徑:rn = rn〇 土 εη，其中n = a或b;rai = ra〇-ea稱為短半徑，ra2 = ra〇+ea稱為 長(zhǎng)半徑;ε為周期波導(dǎo)壁的起伏高度，長(zhǎng)半徑與短半徑部分的長(zhǎng)度相同為Λ/2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在 于:波導(dǎo)a的周期波導(dǎo)壁的起伏高度ε3 = 0.1 raQ= 19.27ym，ra〇為波導(dǎo)a的平均半徑，因此短半 徑和長(zhǎng)半徑分別是ral = 173 · 43yn^Pra2 = 211 · 97μπι，周期長(zhǎng)度為Λ a= 171 · 82μπι，周期個(gè)數(shù)為 1=10;波導(dǎo)13的周期波導(dǎo)壁的起伏高度^ = 0.15() = 22.16以111，5()為波導(dǎo)13的平均半徑，因此 短半徑和長(zhǎng)半徑分別是ηι = 199.44μηι和rb2 = 243 · 76μηι，周期長(zhǎng)度為Λ b = 197 · 6μηι，周期個(gè) 數(shù)為Nb =10。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在于:所 述兩種周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的管壁用的材料為低損耗金屬，金、鋁或銀。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在于:復(fù) 合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為中空波導(dǎo)，其填充物為空氣。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合周期波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬帶太赫茲反射器，其特征在于:所 述的寬帶太赫茲反射器是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上加工所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)； 成型之后利用X-LIGA工藝在上述結(jié)構(gòu)的表面涂覆一層金屬層，厚度為微米量級(jí)，再將聚合 物腐蝕掉，最后獲得金屬管壁波導(dǎo)。
【文檔編號(hào)】G02B5/08GK105891937SQ201610356564
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】陶智勇, 張鷺, 趙秋玉, 劉歡, 徐蘭蘭, 樊亞仙
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)