基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型是一種四端口太赫茲波環(huán)形器，采用磁等離子激元的單向腔來(lái)實(shí)現(xiàn)， 涉及太赫茲波通信與光信息處理的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波是位于毫米波與紅外線之間，頻譜范圍為0.1 THz~ΙΟΤΗζ的電磁波。 由于其位于電子學(xué)與光子學(xué)之間的特殊區(qū)域，太赫茲波在成像技術(shù)、物性鑒定、無(wú)線通訊等 領(lǐng)域具有全新而廣闊的應(yīng)用。隨著通信領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，低頻電磁波資源已經(jīng)耗盡，高頻的 太赫茲波技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)高速率、超帶寬、高集成的通信器件的必然選擇。
[0003] 環(huán)行器是實(shí)現(xiàn)電磁波非互易傳輸?shù)钠骷?，是?duì)反向傳輸電磁波進(jìn)行引導(dǎo)，將其與 正向傳輸電磁波從空間上分離開(kāi)來(lái)，并從另一端口輸出的器件。這一特性對(duì)于隔離反向電 磁波和實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射的雙工工作，具有重要意義。
[0004] 在太赫波的實(shí)際應(yīng)用中，為保護(hù)太赫茲波源不受反射波的損害，有必要隔離反射 的電磁波。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)太赫茲波信號(hào)的接受及發(fā)射的雙工工作，也有必要使用環(huán)行器。 然而太赫茲波的環(huán)行器還沒(méi)有解決方案，因此需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、功能優(yōu)良的太 赫茲波環(huán)行器來(lái)滿足未來(lái)太赫茲波通信技術(shù)應(yīng)用的需要。
[0005] -種可行的解決方案是利用太赫茲波段磁等離子激元的單向性。在太赫茲波段， 當(dāng)我們對(duì)半導(dǎo)體施加一定強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)時(shí)，磁等離子激元存在于半導(dǎo)體表面。在一定 頻率范圍內(nèi)，這種磁等離子激元的傳播方向是單向的。這種單向性使得它適合于實(shí)現(xiàn)包括 環(huán)行器在內(nèi)的非互易器件。
[0006] 專(zhuān)利CN 102244334 B公開(kāi)了基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波 發(fā)生器"其包括激光器、環(huán)行器、光束分離器、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、光束合成 器、光隔離器及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器，所述激光器輸出的光經(jīng)過(guò)環(huán)行器后被光 束分離器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生 循環(huán)移頻光，光束合成器中將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍 頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器接收并輻射出相干太 赫茲波。
[0007] 上述實(shí)用新型的實(shí)用新型目的是實(shí)現(xiàn)
[0008] 激光器輸出的光經(jīng)過(guò)環(huán)形器還需要經(jīng)過(guò)光束分離器進(jìn)行分離并且在環(huán)形器的其 中一個(gè)端口連接吸收負(fù)載吸收反射光，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本高，并且吸收和分離的效果剩 余的干擾比較大。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 1、本實(shí)用新型的目的。
[0010] 本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高的問(wèn)題，而提供了一 種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器。
[0011] 2、本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案。
[0012] 基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，包括一個(gè)圓形腔（1)、第一波 導(dǎo)（2)、第二波導(dǎo)（3)，第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)平行，圓形腔（1)位于第一波導(dǎo)（2)和第 二波導(dǎo)（3)之間，第一波導(dǎo)（2)的端口為P1、P2,第二波導(dǎo)（3)的端口為P3、P4 ;外加磁場(chǎng)垂 直于圓形腔（1)的表面，通過(guò)改變外加磁場(chǎng)的方向改變圓形腔（1)中的磁等離子激元單向 環(huán)行傳播的方向，從第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)的各端口傳輸進(jìn)來(lái)的太赫茲波的方向與 圓形腔（1)的磁等離子激元的親合情況決定太赫茲波的輸出端口。
[0013] 所述的圓形腔（1)為半導(dǎo)體材料。
[0014] 所述的圓形腔（1)為平面結(jié)構(gòu)。
[0015] 所述第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)為金屬波導(dǎo)或者介質(zhì)波導(dǎo)，支持太赫茲波在其 中傳播。
[0016] 3、本實(shí)用新型的有益效果。
[0017] 本實(shí)用新型的環(huán)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸在工作波長(zhǎng)量級(jí)，十分緊湊。此環(huán)形器性能優(yōu) 良，隔離效果在20dB以上，可隔離反射波，保護(hù)太赫茲波源，實(shí)現(xiàn)太赫茲波信號(hào)的接受及發(fā) 射的雙工工作，滿足未來(lái)太赫茲波通信技術(shù)應(yīng)用的需要。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本實(shí)用新型基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0019] 圖2是本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由左上端口輸入時(shí)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度分布圖。
[0020] 圖3是本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由右上端口輸入時(shí)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度
[0021] 圖4是本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由右下端口輸入時(shí)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度
[0022] 圖5是本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由左下端口輸入時(shí)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度
[0023] 圖6是本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 8 THz至1. 82THz頻段的S參數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使專(zhuān)利局的審查員尤其是公眾能夠更加清楚地理解本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì) 和有益效果，申請(qǐng)人將在下面以實(shí)施例的方式作詳細(xì)說(shuō)明，但是對(duì)實(shí)施例的描述均不是對(duì) 本實(shí)用新型方案的限制，任何依據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所作出的僅僅為形式上的而非實(shí)質(zhì)性的 等效變換都應(yīng)視為本實(shí)用新型的技術(shù)方案范疇。 實(shí)施例
[0025] 如圖1所示，本實(shí)用新型是基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器， 包括一個(gè)圓形腔1和兩條波導(dǎo)2、3,兩條波導(dǎo)2、3平行設(shè)置，圓形腔1設(shè)置在波導(dǎo)2、3之間。
[0026] 圖1所不的圓形腔1為半導(dǎo)體材料，可以是InSb、、GaAs、InAs及η摻雜或p摻雜 的Si。圓形腔1為平面結(jié)構(gòu)，其直徑在工作波長(zhǎng)量級(jí)，可以利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)或者激光直寫(xiě) 技術(shù)，在所述半導(dǎo)體材料上加工而成。
[0027] 在太赫茲波段，在外加磁場(chǎng)下，所述半導(dǎo)體材料的相對(duì)介電張量#滿足下式描述
[0029] 其中·是高頻介電常數(shù)，Μ是電磁波的角頻率，:1?:是半導(dǎo)體的等離子頻率，
是回旋頻率。e是電子電量，nf是等效質(zhì)量，B是外加磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0030] 具體對(duì)于半導(dǎo)體材料InSb，在300卡爾文下，
THz ;在Β=0· 1 特斯拉下，
在A 1. 8 THz至1. 82ΤΗζ，所述InSb材料制作的圓形腔1支 持單向磁等離子激元。
[0031] 當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向垂直于圓形腔1的表面，所述磁等離子激元沿所述圓形腔1的 圓周做單向環(huán)行傳播。通過(guò)改變外加磁場(chǎng)的方向，磁等離子激元的環(huán)行方向在順時(shí)針和逆 時(shí)針?lè)较蛑g切換。
[0032] 圖1所示的波導(dǎo)2、3為金屬波導(dǎo)或者介質(zhì)波導(dǎo)，支持太赫茲波在其中傳播。波導(dǎo) 2的兩個(gè)終端構(gòu)兩個(gè)端口 P1、P2 ;波導(dǎo)3的兩個(gè)終端構(gòu)成兩個(gè)端口 P3、P4。
[0033] 圖5所示為本實(shí)用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在各個(gè)端口輸入時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可 清楚的展現(xiàn)其工作原理。具體來(lái)說(shuō)，圓形腔為半徑為250um的InSb材料；外加磁場(chǎng)垂直紙 面向內(nèi)，強(qiáng)度為〇. 1特斯拉；工作頻率1. 812THZ ;單向磁等離子激元沿圓形腔的圓周做逆時(shí) 針傳播。由PI、P2、P3、P4端口輸入的太赫茲波，其傳播情況分別展示在圖2的（a) (b) (c) (d)〇
[0034] 如圖1所示，由P1輸入的太赫茲波，由于與單向磁等離子激元波矢方向相反，不能 發(fā)生耦合，直接傳播到P2輸出。如圖2所示，由P2輸入的太赫茲波，由于與單向磁等離子 激元波矢匹配，可以發(fā)生耦合；磁等離子激元逆時(shí)針傳播，與另一條波導(dǎo)耦合，太赫茲波在 P3 口輸出。同理，由P3 口輸入的太赫茲波，在P4 口輸出，如圖3所示；由P4 口輸入的太赫 茲波，在P1 口輸出，如圖4所示。綜上，在本實(shí)用新型所述四端口太赫茲波環(huán)行器中，任意 波導(dǎo)端口輸入的太赫茲波沿順時(shí)針到相鄰的波導(dǎo)端口輸出。
[0035] 圖6所示為本實(shí)用新型所述四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 8 THz至1. 82THz頻段 的S參數(shù)。實(shí)線為傳輸系數(shù)S21，虛線為隔離系數(shù)S12。傳輸系數(shù)接近OdB，表明傳輸損耗 很小。隔離系數(shù)有三個(gè)極小值，對(duì)應(yīng)于圓行腔的三個(gè)諧振模式，其頻率分布為1.804THZ， 1. 812THz，1. 818THz。在此諧振頻率，隔離系數(shù)小于-20dB，表明本實(shí)用新型具有出色的隔離 效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征在于：包括一個(gè)圓 形腔（1)、第一波導(dǎo)（2)、第二波導(dǎo)（3)，第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)平行，圓形腔（1)位于 第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)之間，第一波導(dǎo)（2)的端口為Pl、P2,第二波導(dǎo)（3)的端口為 P3、P4 ;外加磁場(chǎng)垂直于圓形腔（1)的表面，通過(guò)改變外加磁場(chǎng)的方向改變圓形腔（1)中的 磁等離子激元單向環(huán)行傳播的方向，從第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)的各端口傳輸進(jìn)來(lái)的 太赫茲波的方向與圓形腔（1)的磁等離子激元的親合情況決定太赫茲波的輸出端口。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：圓形腔（1)為半導(dǎo)體材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：圓形腔（1)為平面結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：所述第一波導(dǎo)（2)和第二波導(dǎo)（3)為金屬波導(dǎo)或者介質(zhì)波導(dǎo)，支持太赫茲波在其中傳 播。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，它包括一個(gè)圓形腔和兩條波導(dǎo)。圓形腔為半導(dǎo)體材料，位于兩條波導(dǎo)之間。兩條波導(dǎo)為金屬或介質(zhì)波導(dǎo)，其終端構(gòu)成四個(gè)端口。在外加垂直磁場(chǎng)作用下，磁等離子激元沿圓形腔的圓周做單向環(huán)行。利用這種單向性，任意波導(dǎo)端口輸入的太赫茲波沿順時(shí)針或逆時(shí)針到相鄰的波導(dǎo)端口輸出，構(gòu)成環(huán)行器。此環(huán)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、功能優(yōu)良，可隔離反射波，保護(hù)太赫茲波源，實(shí)現(xiàn)太赫茲波信號(hào)的接受及發(fā)射的雙工工作，滿足未來(lái)太赫茲波通信技術(shù)應(yīng)用的需要。
【IPC分類(lèi)】H01P1/38
【公開(kāi)號(hào)】CN205069827
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520557273
【發(fā)明人】劉珂鑫, 何賽靈
【申請(qǐng)人】常熟浙瑞亙光電技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2016年3月2日
【申請(qǐng)日】2015年7月29日