一種復合波導結構機械式THz光開關的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種太赫茲功能器件，特別涉及一種復合波導結構機械式THz光開關。一種復合波導結構機械式THz光開光，包括兩種不同的周期結構中空圓柱狀金屬波導，波導I和波導II，兩個波導以套扣的形式連接起來。本發明具有結構簡單、易操作、材料低廉的優點；本發明結構為完全的金屬結構，可以有效的防止外界的電磁輻射，而且介質損耗很低，無需封裝；本發明具有結構尺寸小的優點，可用于太赫茲集成系統當中；本發明具有插入損耗低、響應快、可重復使用和壽命長的優點。
【專利說明】
一種復合波導結構機械式THz光開關
技術領域
[0001] 本發明涉及一種太赫茲功能器件，特別涉及一種復合波導結構機械式THz光開關。
【背景技術】
[0002] 太赫茲光開光是太赫茲網絡系統中對信號進行控制的核心器件，在太赫茲領域廣 泛的應用于光層的路由選擇、上下話路、光交叉連接、器件測試、波長選擇及自愈保護等方 面。光開關按照工作原理可分為機械式光開關和波導型光開關，相對于波導型光開關，機械 式光開關具有價格便宜、插入損耗低、串擾小和重復性好的優勢。
[0003] 近些年，對于光開關方面國內外都取得了很多研究成果。2007年，美國波士頓大學 的Hou-Tong Chen 等人在 Opt.Lett.上發表了文章"Ultrafast optical switching of terahertzmetamaterials fabricated on ErAs/GaAsnanoislandsuperlattices"，石開究了 在ErAs/GaAs納米晶格基底上制作太赫茲超材料光開關，其復原時間可以達到20皮秒之短。 2009年，我國華中科技大學的王濤和李慶等人在《光學學報》上發表了文章《有源光子帶隙 高速全光開關的研究》，提出了一種基于非共振光學斯塔克效應的有源光子帶隙全光偏振 開關，此種開關具有體積小和開關時間短的優點。2012年，英國南安普頓大學的Andreg E ? Nikolaenko等人在Opt ? Express上發表了文章 "THz band width optical switching with carbon nanotube metaterial"，研究了一種基于碳納米管材料的太赫茲光開關，具 有低開關能量和超快的弛豫時間的性能。2015年，我國南京郵電大學的劉佳和陳鶴鳴在《光 通信研究》上發表了文章《復式晶格光子晶體多波長THz光開關》，提出了一種基于復式晶格 光子晶體的多波長THz光開關，此結構能過實現四波長THz波的開關控制，它的消光比可以 達到40dB，插入損耗為0.109dB。
[0004]已發表的相關專利也是碩果累累，2010年天津大學的胡明和陳濤等人申請了專利 《一種THz波段氧化釩光開關及其制作方法》，專利公開號為CN 101950092 A，是一種氧化釩 薄膜結構，具有消光比高等優點。2013年廣西安捷訊電子科技有限公司的姚鳳岐申請了名 為《2X2機械光開關》的發明專利，其專利公開號為CN 103487893 A，此發明可以降低封裝 難度，適合大規模生產。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種采用完全的金屬結構，可以有效的避免外界的電磁輻 射產生的干擾，而且不用考慮封裝的問題的復合波導結構機械式THz光開關。
[0006] 本發明的目的是這樣實現的：
[0007 ] -種復合波導結構機械式THz光開光，包括兩種不同的周期結構中空圓柱狀金屬 波導，波導I和波導II，兩個波導以套扣的形式連接起來。
[0008] 所述的波導結構管壁所采用的材料是低損耗的金屬。
[0009] 復合波導結構為中空的波導，其填充物為空氣。
[0010] 所述的兩種周期結構波導的結構參數是由色散曲線中相同的Bragg共振點，但二 階橫向模式的截止頻率不同的情況下得到的，所述的色散曲線函數如下：
[0012]其中，m代表第m階橫向模式，/(廣> 是第m階Bessel函數的零點，r是周期結構波導的 長半徑與短半徑的平均值，0是傳播常數，n是布拉格共振的階數，A是矩形起伏結構的周期 長度。
[0013]所述的兩個周期結構波導的結構參數就是由相同橫模間的共振條件，但波導I二 階橫向模式的截止頻率在m = 1，n = 1和m = 1，n = -1的交點下方，波導II二階橫向模式的截 止頻率在m=l，n = l和m=l，n = -l交點的下方的條件下給出的。
[0014]其制作方法是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上分別加工出波導I和波導II的起 伏結構形成基底，其中波導I的最后一個周期內長半徑端多加工出20wii的長度，波導II的第 一個長半徑端多加工出一段半徑與波導I長半徑相等的圓柱;成形之后利用X-LIGA工藝在 上述聚合物基底上涂覆一層金屬層，其厚度是10M1，其中波導II的第一個長半徑端多加工 出的與波導I長半徑相等的圓柱上，只在其與波導II的連接的那個底面所漏出的圓環處涂 覆金屬層;然后將聚合物基底腐蝕掉;最后將波導II的長半徑端插到波導I的長半徑端，最 后利用電子束噴射技術在波導I的長半徑端的波導內的端頭上，加工出一個長度為10M1的 內徑大于波導II長半徑的圓環，將波導II的長半徑端口套在波導I的長半徑端口內。
[0015]本發明的有益效果在于：
[0016] 本發明具有結構簡單、易操作、材料低廉的優點；本發明結構為完全的金屬結構， 可以有效的防止外界的電磁輻射，而且介質損耗很低，無需封裝;本發明具有結構尺寸小的 優點，可用于太赫茲集成系統當中；本發明具有插入損耗低、響應快、可重復使用和壽命長 的優點。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明一種復合波導結構機械式THz光開關的結構的剖面圖。
[0018]圖2為本發明一種復合波導結構機械式THz光開關的結構分別在"開"、"關"狀態下 的頻譜圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和理論計算的實例對本發明進行詳細的描述。
[0020] 本發明涉及的是光器件領域，具體是一種復合波導結構機械式THz光開關。這種結 構是由兩種周期結構波導(波導I波導II)組成的，兩種波導的結構參數是由相同的布拉格 共振條件，但它們二階橫向模式的截止頻率所處的位置不同的條件下給出的，其特點是波 導I的短半徑rn和波導II的長半徑rm相同。兩個波導均取六個周期，太赫茲波由波導I的短 半徑端入射，有波導II的短半徑端出射。兩個波導的連接處，將波導II的最開始的半個周期 (長半徑端)套入波導I的最后半個周期(長半徑端）內形成一種套扣的形式，使其能夠進行 拉伸。在沒有將波導II拉伸出來時，即呈現出波導II的長半徑端與波導I的短半徑端相連的 情況，此時處于"關"的狀態，當將波導II拉伸出來后，即呈現出波導II的長半徑端與波導I 長半徑端連接的情況，此時處于"開"狀態。本結構無需封裝、材料低廉、容易生產、可用于大 規模的生產加工。
[0021] 圖1中灰色帶條紋部分為波導I，灰色實體部分為波導II，虛線框內是套扣部分； rii、r2dP A :分別為波導I的短半徑、長半徑和周期長度;rm、r2ii和A n分別為波導II的短 半徑、長半徑和周期長度。
[0022] 本發明提供了一種復合波導結構機械式THz光開關，它是由兩種中空的周期結構 波導(波導I和波導II)以一種套扣的形式連接起來而成的。這兩種周期結構波導的結構參 數是由不同二階橫向模式截止頻率條件下的布拉格共振給出的，其中波導I的二階橫向模 式的截止頻率在第一階橫向模式的一階共振之下，波導II的二階橫向模式的截止頻率在第 一階橫向模式的一階共振之上。兩個波導的連接處均是各自的長半徑端，將波導II的長半 徑端套入波導I的長半徑端，使其在波導I的長半徑端的內部能夠拉伸，當波導II的長半徑 端插到波導I里面與波導I的短半徑處連接時，此結構處于"關"的狀態，當波導II的長半徑 端拉到波導I的長半徑端端口時與波導I的長半徑處連接，此結構處于"開"的狀態，兩個波 導均取六個周期，太赫茲波由波導I的短半徑端進，波導II的短半徑端出。
[0023] 所述的復合結構波導的管壁為低損耗的金屬材料制作而成的，復合波導為中空波 導，其芯內填充物為空氣。其制作方法是利用MEMS深度光刻工藝在聚合物上分別加工出波 導I和波導II的起伏結構形成基底，其中波導I的最后一個周期內長半徑端多加工出20wii的 長度，波導II的第一個長半徑端多加工出一段半徑與波導I長半徑相等的圓柱。成形之后利 用X-LIGA工藝在上述聚合物基底上涂覆一層金屬層，其厚度是lOwii，其中波導II的第一個 長半徑端多加工出的與波導I長半徑相等的圓柱上，只在其與波導II的連接的那個底面所 漏出的圓環處涂覆金屬層。然后將聚合物基底腐蝕掉。最后將波導II的長半徑端插到波導I 的長半徑端，最后利用電子束噴射技術在波導I的長半徑端的波導內的端頭上，加工出一個 長度為10M1的內徑大于波導II長半徑的圓環，將波導II的長半徑端口套在波導I的長半徑 端口內。
[0024] 在周期結構波導中電磁波的橫向模式之間會發生共振，從而產生頻率禁帶，使得 某些特定頻率范圍內的電磁波不能通過此種周期結構波導。當共振條件不同時得到的兩種 周期結構波導且它們有相同的頻率禁帶的情況下，使這兩種波導連接起來，不但不能更有 效的抑制電磁波的傳輸，反過來由于局部共振的原因，會在兩波導重合的頻率禁帶內出現 通帶，當其中的一個波導的周期完整性被破壞后，這種局部共振效應會消失，使其產生的通 帶消失，這樣就可以實現光開關的功能。
[0025] 兩種周期結構波導的結構參數是由色散曲線中相同的Bragg共振點，但二階橫向 模式的截止頻率不同的情況下得到的，所述的色散曲線函數如下：
[0027]其中，m代表第m階橫向模式，是第m階Bessel函數的零點，r是周期結構波導的 長半徑與短半徑的平均值，0是傳播常數，n是布拉格共振的階數，A是矩形起伏結構的周期 長度。在周期結構波導中，由于周期狀起伏結構的存在，使得橫向模式之間會發生共振，從 而產生頻率禁帶。當m相同時是由相同橫向模式之間發生的共振被稱為布拉格共振，產生布 拉格禁帶。這里的兩個周期結構波導的結構參數就是由相同橫模間的共振條件(m=l，n = 0 和m= 1，n = 1 )，但不同二階橫向模式截止頻率條件下的布拉格共振給出的，其中波導I的二 階橫向模式的截止頻率在第一階橫向模式的一階共振之下，波導II的二階橫向模式的截止 頻率在第一階橫向模式的一階共振之上。
[0028] -種復合波導結構機械式THz光開關，如圖1所示為本發明結構的剖面圖，本發明 是由兩種周期結構波導組成的，所述的周期結構波導的一個周期A內的短半徑rdP長半徑 r 2部分各占一半，且兩個部分曾交替狀態的起伏周期結構。兩個波導以一種套扣的形式，將 波導II的長半徑端套入波導I的長半徑端連接起來的。
[0029] 如圖1所示，為理論計算時所用的模型，這兩個波導的結構尺寸分別為:波導I:riI =171um，r2i = 209iim，A i = 182細；波導II :rm = 139 ? 5ym，r2ii = 171um，A n = 224iim。
[0030] 如圖1所示，灰色帶條紋部分為波導I，灰色實體部分為波導II，虛框內為兩波導的 連接處的套扣結構，當波導II的長半徑端插到波導I里面與波導I的短半徑處連接時，0.86 ~1. ITHz范圍內完全為禁帶，此時處于"關"的狀態，當波導II的長半徑端拉到波導I的長半 徑端端口時與波導I的長半徑處連接，會在0.9634THZ附近出現一個很窄的透射峰，此時處 于"開"的狀態。
[0031] 以上所述的實施例子僅用于說明本發明，其中各部件的結構、連接方式和尺寸等 都是可以根據設計而變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的同等變換和改進，均 包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種復合波導結構機械式THz光開光，其特征在于:包括兩種不同的周期結構中空圓 柱狀金屬波導，波導I和波導II，兩個波導以套扣的形式連接起來。2. 根據權利要求1所述的一種復合波導結構機械式THz光開光，其特征在于:所述的波 導結構管壁所采用的材料是低損耗的金屬。3. 根據權利要求1所述的一種復合波導結構機械式THz光開關，其特征在于:復合波導 結構為中空的波導，其填充物為空氣。4. 根據權利要求1所述的一種復合波導結構機械式THz光開關，其特征在于:所述的兩 種周期結構波導的結構參數是由色散曲線中相同的Bragg共振點，但二階橫向模式的截止 頻率不同的情況下得到的，所述的色散曲線函數如下：其中，m代表第m階橫向模式，是第m階Bessel函數的零點，r是周期結構波導的長半 徑與短半徑的平均值，β是傳播常數，η是布拉格共振的階數，Λ是矩形起伏結構的周期長 度。5. 根據權利要求1所述的一種復合波導結構機械式THz光開關，其特征在于:所述的兩 個周期結構波導的結構參數就是由相同橫模間的共振條件，但波導I二階橫向模式的截止 頻率在m=l，n = l和m=l，n = -l的交點下方，波導II二階橫向模式的截止頻率在m=l，n=l 和m=l，n = -l交點的下方的條件下給出的。6. 根據權利要求1、2或3所述的一種復合波導結構機械式THz光開關，其特征在于:其制 作方法是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上分別加工出波導I和波導II的起伏結構形成基 底，其中波導I的最后一個周期內長半徑端多加工出20μηι的長度，波導II的第一個長半徑端 多加工出一段半徑與波導I長半徑相等的圓柱;成形之后利用X-LIGA工藝在上述聚合物基 底上涂覆一層金屬層，其厚度是ΙΟμπι，其中波導II的第一個長半徑端多加工出的與波導I長 半徑相等的圓柱上，只在其與波導II的連接的那個底面所漏出的圓環處涂覆金屬層;然后 將聚合物基底腐蝕掉;最后將波導II的長半徑端插到波導I的長半徑端，最后利用電子束噴 射技術在波導I的長半徑端的波導內的端頭上，加工出一個長度為IOwn的內徑大于波導II 長半徑的圓環，將波導II的長半徑端口套在波導I的長半徑端口內。
【文檔編號】G02B6/35GK105891966SQ201610356582
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】樊亞仙, 徐蘭蘭, 桑湯慶, 張鷺, 陶智勇
【申請人】哈爾濱工程大學