基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器。它包括孔狀鏤空平板、信號輸入端、第一信號輸出端、第二信號輸出端、第三信號輸出端、第四信號輸出端、第五信號輸出端、第六信號輸出端，信號輸入端與六個輸出端間有四個Y形波導通道和一個多模干涉區域，輸入的太赫茲波經多模干涉區域分為2路，再經兩個第二級Y形波導通道分為4路，其中2路再經兩個第三級Y形波導通道分為4路，實現6路等功率輸出太赫茲波；另外，通過調節溫度來改變局部平板的折射率，可以使二級Y形波導不進行功分，實現6路變4路等功率輸出太赫茲波的可調效果。本發明具有結構簡單、功分效率高，尺寸小，成本低、易于集成等優點。
【專利說明】
基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器
技術領域
[0001] 本發明涉及太赫茲波功分器，尤其涉及一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫 茲波功分器。
【背景技術】
[0002] 太赫茲輻射是對一個特定波段的電磁輻射的統稱，它在電磁波譜中位于微波和紅 外輻射之間，太赫茲輻射的命名來源于它的振蕩頻率在ITHz左右，在電子學領域里，這一頻 段的電磁波又被稱作毫米波和亞毫米波;而在光譜學領域，它也被稱為遠紅外射線。在20世 紀80年代中期以前，由于缺乏高能量、高效率、室溫下穩定運轉的太赫茲輻射源以及有效的 太赫茲波探測技術，太赫茲技術及應用研究進展非常緩慢，相關的文獻報道也屈指可數，太 赫茲波段成為寬廣的電磁波譜中唯 塊尚未充分開發利用的波段，被科學界稱為電磁波 譜最后的"太赫茲空隙"。隨著太赫茲輻射源和探測技術的突破，太赫茲獨特的優越特性被 發現并在材料科學、氣體探測、生物和醫學檢測、通信等方面展示出巨大的應用前景。
[0003] 太赫茲波功分器是一類重要的太赫茲波功能器件，近年來太赫茲波功分器已成為 國內外研究的熱點和難點。然而現有的太赫茲波功分器大都存在著結構復雜、功分效率低、 成本尚等諸多缺點，所以研究結構簡單、功分效率尚、成本低、尺寸小，具有可調性能的太赫 茲波功分器意義重大。
【發明內容】
[0004] 本發明為了克服現有技術不足，提供一種結構簡單、功分效率高的基于鏤空平板 結構的可調多通道太赫茲波功分器。
[0005] 為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：
[0006] 基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，包括孔狀鏤空平板、空氣孔、第 一直線波導、第二直線波導、第三直線波導、第四直線波導、第五直線波導、第六直線波導、 第七直線波導、第八直線波導、第九直線波導、第一 Y形波導、第二Y形波導、第三Y形波導、第 四Y形波導、第一空氣孔組合、第二空氣孔組合、第三空氣孔組合、第四空氣孔組合、第五空 氣孔組合、第六空氣孔組合、第七空氣孔組合、第八空氣孔組合、多模干涉區域、第一空氣 孔、第二空氣孔、第三空氣孔、第四空氣孔、信號輸入端、第一信號輸出端、第二信號輸出端、 第三信號輸出端、第四信號輸出端、第五信號輸出端、第六信號輸出端、第九空氣孔組合;孔 狀鏤空平板中設有呈二維正三角形周期排列的空氣孔光子晶體，在去除部分二維周期排列 的空氣孔光子晶體后，孔狀鏤空平板上形成了第一直線波導、第二直線波導、第三直線波 導、第四直線波導、第五直線波導、第六直線波導、第七直線波導、第八直線波導、第九直線 波導、第一 Y形波導、第二Y形波導、第三Y形波導、第四Y形波導和多模干涉區域，第一直線波 導的左端設有信號輸入端，第二直線波導的左端設有第五信號輸出端，第三直線波導的左 端設有第六信號輸出端，第六直線波導的右端設有第一信號輸出端，第七直線波導的右端 設有第四信號輸出端，第八直線波導的右端設有第二信號輸出端，第九直線波導的右端設 有第三信號輸出端，多模干涉區域的左端與第一直線波導相連，多模干涉區域的右下端和 右上端分別通過第四直線波導和第五直線波導與第一 Y形波導的左上端和第二Y形波導的 左下端相連，第一 Y形波導的左下端與第二直線波導的右端相連，第二Y形波導的左上端與 第三直線波導的右端相連，第三Y形波導的左端、右上端、右下端分別與第一 Y形波導的右 端、第八直線波導的左端、第六直線波導的左端相連，第四Y形波導的左端、右上端、右下端 分別與第二Y形波導的右端、第七直線波導的左端、第九直線波導的左端相連，第一 Y形波導 的中心偏左下的位置設有第二空氣孔，第二Y形波導的中心偏左上的位置設有第一空氣孔， 第三Y形波導的中心設有第三空氣孔，第四Y形波導的中心設有第四空氣孔，第一 Y形波導與 第二直線波導、第四直線波導的連接處分別設有第一空氣孔組合和第三空氣孔組合，第二Y 形波導與第三直線波導、第五直線波導的連接處分別設有第二空氣孔組合和第四空氣孔組 合，第三Y形波導與第六直線波導、第八直線波導的連接處設有第五空氣孔組合和第七空氣 孔組合，第四Y形波導與第七直線波導、第九直線波導的連接處設有第六空氣孔組合和第八 空氣孔組合，第九空氣孔組合位于多模干涉區域的右側中端。
[0007] 上述技術方案可采用如下優選方式：
[0008] 所述的孔狀鏤空平板的材料為硅，當溫度為25 °C時，折射率為3.45,當溫度變為 650 °C時，折射率為3.6。所述的二維周期排列的空氣孔光子晶體的半徑為24~25wii，空氣孔 圓心之間的距離為76~80wii。所述的第一空氣孔組合、第二空氣孔組合、第三空氣孔組合、 第四空氣孔組合、第五空氣孔組合、第六空氣孔組合、第七空氣孔組合和第八空氣孔組合形 狀結構相同，空氣孔組合中空氣孔的半徑均為24~25mi，空氣孔圓心之間的距離為118~ 119圓。所述的第一空氣孔半徑為15~16圓，第一空氣孔以第二Y形波導的中心為原點向左 上方移動了 23~24mi。所述的第二空氣孔半徑為15~16mi，第二空氣孔以第一 Y形波導的中 心為原點向左下方移動了23~24wii。所述的第三空氣孔和第四空氣孔形狀相同，半徑均為 15~16wn，第三空氣孔和第四空氣孔分別位于第三Y形波導和第四Y形波導的中心。第九空 氣孔組合的上端空氣孔、下端空氣孔、右端空氣孔的半徑均為24~25WH，右端空氣孔與上端 空氣孔、下端空氣圓心之間的距離均為57~58M1，左端空氣孔的半徑為19~20mi，左端空氣 孔與右端空氣孔圓心之間的距離為54~55wii。孔狀鏤空平板上設有矩形的溫度調節區域， 溫度調節區域的左端邊界穿過第一 Y形波導和第二Y形波導最右端上方的第一個空氣孔的 圓心，溫度調節區域橫向寬度為相鄰兩個空氣孔圓心距的4倍。
[0009] 本發明的基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器具有結構簡單緊湊，功 分效率高，尺寸小，體積小，便于制作，可調等優點，滿足在太赫茲波成像、醫學診斷、太赫茲 波通信等領域應用的要求。
【附圖說明】
[0010] 圖1是基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器的三維結構示意圖；
[0011] 圖2是基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器的二維結構示意圖；
[0012] 圖3是基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器在ITHz時，未加熱（25°C) 時功分器穩態電場分布圖；
[0013] 圖4是基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器在ITHz時，對溫度調節區 域加熱到650°C時功分器穩態電場分布圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1和2所示，一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，包括孔狀 鏤空平板37、空氣孔35、第一直線波導1、第二直線波導2、第三直線波導3、第四直線波導4、 第五直線波導5、第六直線波導6、第七直線波導7、第八直線波導8、第九直線波導9、第一 Y形 波導10、第二Y形波導11、第三Y形波導12、第四Y形波導13、第一空氣孔組合14、第二空氣孔 組合15、第三空氣孔組合16、第四空氣孔組合17、第五空氣孔組合18、第六空氣孔組合19、第 七空氣孔組合20、第八空氣孔組合21、多模干涉區域22、第一空氣孔23、第二空氣孔24、第三 空氣孔25、第四空氣孔26、信號輸入端27、第一信號輸出端28、第二信號輸出端29、第三信號 輸出端30、第四信號輸出端31、第五信號輸出端32、第六信號輸出端33、第九空氣孔組合36; 孔狀鏤空平板37中設有呈二維正三角形周期排列的空氣孔光子晶體10,在去除部分二維周 期排列的空氣孔光子晶體10后，孔狀鏤空平板上形成了第一直線波導1、第二直線波導2、第 三直線波導3、第四直線波導4、第五直線波導5、第六直線波導6、第七直線波導7、第八直線 波導8、第九直線波導9、第一 Y形波導10、第二Y形波導11、第三Y形波導12、第四Y形波導13和 多模干涉區域22,第一直線波導1的左端設有信號輸入端27,第二直線波導2的左端設有第 五信號輸出端32,第三直線波導3的左端設有第六信號輸出端33,第六直線波導6的右端設 有第一信號輸出端28,第七直線波導7的右端設有第四信號輸出端31，第八直線波導8的右 端設有第二信號輸出端29,第九直線波導9的右端設有第三信號輸出端30,多模干涉區域22 的左端與第一直線波導1相連，多模干涉區域22的右下端和右上端分別通過第四直線波導4 和第五直線波導5與第一 Y形波導10的左上端和第二Y形波導11的左下端相連，第一 Y形波導 10的左下端與第二直線波導2的右端相連，第二Y形波導11的左上端與第三直線波導3的右 端相連，第三Y形波導12的左端、右上端、右下端分別與第一 Y形波導10的右端、第八直線波 導8的左端、第六直線波導6的左端相連，第四Y形波導13的左端、右上端、右下端分別與第二 Y形波導11的右端、第七直線波導7的左端、第九直線波導9的左端相連，第一 Y形波導10的中 心(本發明中，Y形波導的中心指Y形波導的三條分支直線波導中心線的交點)偏左下的位置 設有第二空氣孔24,第二Y形波導11的中心偏左上的位置設有第一空氣孔23,第三Y形波導 12的中心設有第三空氣孔25，第四Y形波導13的中心設有第四空氣孔26，第一 Y形波導10與 第二直線波導2、第四直線波導4的連接處分別設有第一空氣孔組合14和第三空氣孔組合 16,第二Y形波導11與第三直線波導3、第五直線波導5的連接處分別設有第二空氣孔組合15 和第四空氣孔組合17,第三Y形波導12與第六直線波導6、第八直線波導8的連接處設有第五 空氣孔組合18和第七空氣孔組合20,第四Y形波導13與第七直線波導7、第九直線波導9的連 接處設有第六空氣孔組合19和第八空氣孔組合21，第九空氣孔組合36位于多模干涉區域22 的右側中端。
[0015]所述的孔狀鏤空平板36的材料為硅，當溫度為25 °C時，折射率為3.45，當溫度變為 650 °C時，折射率為3.6。所述的二維周期排列的空氣孔光子晶體35的半徑為24~25wii，空氣 孔圓心之間的距離為76~80wii。所述的第一空氣孔組合14、第二空氣孔組合15、第三空氣孔 組合16、第四空氣孔組合17、第五空氣孔組合18、第六空氣孔組合19、第七空氣孔組合20和 第八空氣孔組合21形狀結構相同，均包含兩個空氣孔。空氣孔組合中空氣孔的半徑均為24 ~25mi，空氣孔圓心之間的距離為118~1191?]1。所述的第一空氣孔23半徑為15~16wii，為了 實現第二Y形波導11的不等分效果，第一空氣孔23以第二Y形波導11的中心為原點向左上方 45°移動了23~24wii。所述的第二空氣孔24半徑為15~16wii，為了實現第一 Y形波導10的不 等分效果，第二空氣孔24以第一Y形波導10的中心為原點向左下方45°移動了23~24wii。所 述的第三空氣孔25和第四空氣孔26形狀相同，半徑均為15~16wii，第三空氣孔25和第四空 氣孔26分別位于第三Y形波導12和第四Y形波導13的中心。所述的第九空氣孔組合36的存在 是為了減少多模干涉區域22的損耗，第九空氣孔組合36的上端空氣孔、下端空氣孔、右端空 氣孔的半徑均為24~25wn，右端空氣孔與上端空氣孔、下端空氣圓心之間的距離均為57~ 58mi，左端空氣孔的半徑為19~20wii，左端空氣孔與右端空氣孔圓心之間的距離為54~55y m〇
[0016] 孔狀鏤空平板37上設有矩形的溫度調節區域34,矩形縱向橫跨整塊孔狀鏤空平板 37,頂部和底部均與孔狀鏤空平板37的邊界重合。溫度調節區域34的左端邊界穿過第一 Y形 波導10和第二Y形波導11最右端上方的第一個空氣孔的圓心，溫度調節區域34橫向寬度為 相鄰兩個空氣孔圓心距的4倍。
[0017] 溫度調節區域34用于進行加熱。未加熱時，太赫茲波從信號輸入端27輸入經過多 模干涉區域22分為兩路，再經由第一 Y形波導10和第二Y形波導11分為4路，其中2路經由第 三Y形波導12和第四Y形波導13分為4路，最終實現6個輸出端等量輸出，對溫度調節區域34 進行加熱，改變溫度調節區域34的折射率，使得進入第一Y形波導10和第二Y形波導11的太 赫茲波無法進入第二直線波導2和第三直線波導3,最終實現6路等量輸出變為4路等量輸 出。
[0018] 實施例1
[0019] 本實施例中，可調多通道太赫茲波功分器的結構亦如前所述（圖1和2)，具體結構 在此不再贅敘。可調多通道太赫茲波功分器的結構參數具體為:孔狀鏤空平板的材料為硅， 當溫度為25°C時，折射率為3.45，當溫度變為650 °C時，折射率為3.6。二維周期排列的空氣 孔光子晶體是呈等邊三角形周期性分布的空氣孔光子晶體陣列，半徑為24.96WH，空氣孔圓 心之間的距離為78mi。第一空氣孔組合、第二空氣孔組合、第三空氣孔組合、第四空氣孔組 合、第五空氣孔組合、第六空氣孔組合、第七空氣孔組合和第八空氣孔組合形狀結構相同， 空氣孔組合中空氣孔的半徑均為24.96wii，空氣孔圓心之間的距離為118.56mi。第一空氣孔 半徑為15.6wn，為了實現第二Y形波導的不等分效果，第一空氣孔以第二Y形波導的中心為 原點向左上方移動了 23.4m。第二空氣孔半徑為15.6wii，為了實現第一 Y形波導的不等分效 果，第二空氣孔以第一 Y形波導10的中心為原點向左下方移動了 23.4m。第三空氣孔和第四 空氣孔形狀相同，半徑均為15.6mi，第三空氣孔和第四空氣孔分別位于第三Y形波導和第四 Y形波導的中心。第九空氣孔組合的上端空氣孔、下端空氣孔、右端空氣孔的半徑均為24.96 Mi，右端空氣孔與上端空氣孔、下端空氣圓心之間的距離均為57.6wii，左端空氣孔的半徑為 19.5mi，左端空氣孔與右端空氣孔圓心之間的距離為54.6ym。
[0020] 本發明的信號輸入端與六個輸出端間有四個Y形波導通道和一個多模干涉區域， 輸入的太赫茲波經多模干涉區域分為2路，再經兩個第二級Y形波導通道分為4路，其中2路 再經兩個第三級Y形波導通道分為4路，實現6路等功率輸出太赫茲波；另外，通過調節溫度 來改變局部平板的折射率，可以使二級Y形波導不進行功分，實現6路變4路等功率輸出太赫 茲波的可調效果。具體的：未對溫度調節區域加熱時，即溫度為25°C時，輸入太赫茲波頻率 為ITHz時功分器穩態電場分布圖如圖3所示;對溫度調節區域加熱到650°C時，輸入太赫茲 波頻率為ITHz時功分器穩態電場分布圖如圖4所示。溫度改變前后各輸出端的輸出效率如 表1所示。綜上可以看出，所提出的設計較好的實現了一個可調的多通道太赫茲波功分器。
[0021]表1各端口的輸出效率
【主權項】
1. 一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特征在于包括孔狀鏤空平 板(37)、空氣孔(35)、第一直線波導（1)、第二直線波導（2)、第三直線波導(3)、第四直線波 導(4)、第五直線波導(5)、第六直線波導(6)、第七直線波導（7)、第八直線波導(8)、第九直 線波導(9)、第一 Y形波導（10)、第二Y形波導（11)、第三Y形波導（12)、第四Y形波導（13)、第 一空氣孔組合（14)、第二空氣孔組合（15)、第三空氣孔組合（16)、第四空氣孔組合（17)、第 五空氣孔組合（18)、第六空氣孔組合（19)、第七空氣孔組合(20)、第八空氣孔組合(21)、多 模干涉區域(22)、第一空氣孔(23)、第二空氣孔(24)、第三空氣孔(25)、第四空氣孔(26)、信 號輸入端(27)、第一信號輸出端(28)、第二信號輸出端(29)、第三信號輸出端(30)、第四信 號輸出端(31 )、第五信號輸出端(32 )、第六信號輸出端(33 )、第九空氣孔組合(36);孔狀鏤 空平板(37)中設有呈二維正三角形周期排列的空氣孔光子晶體(10)，在去除部分二維周期 排列的空氣孔光子晶體（10)后，孔狀鏤空平板上形成了第一直線波導（1)、第二直線波導 (2)、第三直線波導(3)、第四直線波導(4)、第五直線波導（5)、第六直線波導(6)、第七直線 波導(7)、第八直線波導(8)、第九直線波導(9)、第一 Y形波導（10)、第二Y形波導（11)、第三Y 形波導（12)、第四Y形波導（13)和多模干涉區域(22)，第一直線波導（1)的左端設有信號輸 入端(27)，第二直線波導(2)的左端設有第五信號輸出端(32)，第三直線波導（3)的左端設 有第六信號輸出端(33)，第六直線波導(6)的右端設有第一信號輸出端(28)，第七直線波導 (7)的右端設有第四信號輸出端(31)，第八直線波導(8)的右端設有第二信號輸出端(29)， 第九直線波導(9)的右端設有第三信號輸出端(30)，多模干涉區域(22)的左端與第一直線 波導（1)相連，多模干涉區域(22)的右下端和右上端分別通過第四直線波導(4)和第五直線 波導(5)與第一 Y形波導（10)的左上端和第二Y形波導（11)的左下端相連，第一 Y形波導（10) 的左下端與第二直線波導（2)的右端相連，第二Y形波導（11)的左上端與第三直線波導（3) 的右端相連，第三Y形波導（12)的左端、右上端、右下端分別與第一 Y形波導（10)的右端、第 八直線波導(8)的左端、第六直線波導(6)的左端相連，第四Y形波導（13)的左端、右上端、右 下端分別與第二Y形波導（11)的右端、第七直線波導(7)的左端、第九直線波導(9)的左端相 連，第一 Y形波導（10)的中心偏左下的位置設有第二空氣孔(24)，第二Y形波導（11)的中心 偏左上的位置設有第一空氣孔(23)，第三Y形波導（12)的中心設有第三空氣孔(25)，第四Y 形波導（13)的中心設有第四空氣孔(26)，第一 Y形波導（10)與第二直線波導（2)、第四直線 波導(4)的連接處分別設有第一空氣孔組合（14)和第三空氣孔組合（16)，第二Y形波導（11) 與第三直線波導(3)、第五直線波導(5)的連接處分別設有第二空氣孔組合(15)和第四空氣 孔組合(17)，第三Y形波導（12)與第六直線波導(6)、第八直線波導(8)的連接處設有第五空 氣孔組合（18)和第七空氣孔組合(20)，第四Y形波導（13)與第七直線波導（7)、第九直線波 導（9)的連接處設有第六空氣孔組合（19)和第八空氣孔組合(21)，第九空氣孔組合(36)位 于多模干涉區域(22)的右側中端。2. 根據權利要求1所述的一種多通道太赫茲波功分器，其特征在于所述的孔狀鏤空平 板(36)的材料為硅，當溫度為25 °C時，折射率為3.45，當溫度變為650 °C時，折射率為3.6。3. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的二維周期排列的空氣孔光子晶體(35)的半徑為24~25μπι，空氣孔圓心之間的 距離為76~80μηι。4. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的第一空氣孔組合（14)、第二空氣孔組合（15)、第三空氣孔組合（16)、第四空氣 孔組合（17)、第五空氣孔組合（18)、第六空氣孔組合（19)、第七空氣孔組合(20)和第八空氣 孔組合(21)形狀結構相同，空氣孔組合中空氣孔的半徑均為24~25μπι，空氣孔圓心之間的 距離為118~119μηι。5. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的第一空氣孔(23)半徑為15~16μηι，第一空氣孔(23)以第二Y形波導（11)的中 心為原點向左上方移動了 23~24μπι。6. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的第二空氣孔(24)半徑為15~16μπι，第二空氣孔(24)以第一Y形波導（10)的中 心為原點向左下方移動了 23~24μπι。7. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的第三空氣孔(25)和第四空氣孔(26)形狀相同，半徑均為15~16μπι，第三空氣 孔(25)和第四空氣孔(26)分別位于第三Y形波導（12)和第四Y形波導（13)的中心。8. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于所述的第九空氣孔組合(36)的上端空氣孔、下端空氣孔、右端空氣孔的半徑均為24 ~25μηι，右端空氣孔與上端空氣孔、下端空氣圓心之間的距離均為57~58μηι，左端空氣孔的 半徑為19~20μηι，左端空氣孔與右端空氣孔圓心之間的距離為54~55μηι。9. 根據權利要求1所述的一種基于鏤空平板結構的可調多通道太赫茲波功分器，其特 征在于孔狀鏤空平板(37)上設有矩形的溫度調節區域(34)，溫度調節區域(34)的左端邊界 穿過第一 Y形波導（10)和第二Y形波導（11)最右端上方的第一個空氣孔的圓心，溫度調節區 域(34)橫向寬度為相鄰兩個空氣孔圓心距的4倍。
【文檔編號】G02B6/125GK105911643SQ201610481967
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】李九生, 莫國強, 孫建忠
【申請人】中國計量大學