CN110146946A - 一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，包括衬底和水平设置在衬底上的金属薄膜，所述金属薄膜设置有三块，由位于中心的呈直线状的中心金属薄膜，和设置在中心金属薄膜两侧的侧部金属薄膜构成，所述侧部金属薄膜呈圆弧状，开口远离中心金属薄膜一侧设置，两块所述侧部金属薄膜的曲率圆圆心的连线与中心金属薄膜之间的夹角小于90度，所述中心金属薄膜和侧部金属薄膜的两侧壁上均设置有规则排列的锯齿结构。本发明的器件通用性较强，在不同波段下依然可以产生预设效果，无需改变设计好的几何结构，器件的适用范围还会扩展，可进行大部分太赫兹波段的研究。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件。
背景技术
太赫兹波通常定义为频率在0.1～10THz范围内的电磁波。太赫兹的英文是Terahertz(THz)，1THz＝1012Hz，波长为30～3000μm。
对于表面等离子激元(surface plasmon polaritons,SPPs)器件结构的设计，国内外相关研究小组Xiaoyong Liu在该方面进行过的研究如下：南京大学电子科学与工程学院电子工程系小组设计的基于对称波纹薄膜结构的平面等离子体波导器件，在共形表面等离子体(conformal surface plasmon,CSP)基础上，提出了一种对称锯齿型弯曲金属结构,对其深度特性在传播距离方面的影响进行了研究，同时在微波频段进行了表面等离子体激元波导结构的实验研究。研究结果显示降低沟槽阵列的高度能够增加表面等离子体激元的传播距离，因此可以对该结构进行优化，从而弥补一部分金属损耗的影响。
表面等离子激元波导(surface plasmon polaritons waveguide)示意图如图1所示，通过图2我们可以看出这种结构只能在某一特定频率实现90％以上的输出，而无法实现一定频段的输出。
另一个相似的方案是桂林电子科技大学的黄巍等人所提出的一个三层立体结构，结构示意图3所示，上层结构为波导输入层，产生的SPPs耦合到中间层，最后在最底层输出，相对于平面结构来说，多层结构的生产制作相对更繁琐。
回顾以往的研究，不难发现许多研究者关于器件设计的独立性，器件适用的波段非常短，通用性很差。许多研究者设计的器件只在某个特定激发频率才能产生效果，改变参数后也很难实现在其他波段产生预设的效果，对于SPPs器件结构的设计，南京大学电子科学与工程学院电子工程系的刘小勇在该方面进行过的研究如下：设计的基于对称波纹薄膜结构的平面等离子体波导器件，实现了在两个相邻的CSP板上进行耦合及输出。但是对于本专利涉及的结构以及相关参数涉及的分析和较少，只在微波频段上进行了实验验证，并不能证明在太赫兹频段上能产生相同的效果。
张颖等人在太赫兹伪表面等离子体激元亚波长波导这篇文章中提出的各种结构的波导只能被验证能够支持太赫兹的传输和有效提高亚波长的局域性和降低传输损耗，并不能达到本专利所提到的通用性优点。
D.Martin-Cano在用于亚波长太赫兹电路的多米诺等离子体中提出了多米诺结构的等离子体波导概念，这篇文章是基于超材料的概念所作的研究分析，得出结论：表面传播的电磁波模式对多米诺结构的宽度特性并不是很敏感，以及超强的电磁波束缚能力和较低的传输损耗，只能说明能够有效引导太赫兹在该结构传输，并不能实现一定频段内太赫兹的传输。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，使在不改变器件的结构几何参数的前提下，实现对太赫兹的传输，并且具有很好的鲁棒性和通用性。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，包括衬底和水平设置在衬底上的金属薄膜，所述金属薄膜设置有三块，由位于中心的呈直线状的中心金属薄膜，和设置在中心金属薄膜两侧的侧部金属薄膜构成，所述侧部金属薄膜呈圆弧状，开口朝向远离中心金属薄膜一侧设置，两块所述侧部金属薄膜的曲率圆圆心的连线与中心金属薄膜之间的夹角小于90度，所述中心金属薄膜和侧部金属薄膜的两侧壁上均设置有规则排列的锯齿结构。
进一步，两块所述侧部金属薄膜的曲率圆圆心的偏移距离为0.5mm-3mm。
进一步，所述两块相邻金属薄膜的最小间隔为1μm-5μm。
进一步，所述锯齿型结构的宽度为20μm-50μm，周期长度为30μm-60μm。
进一步，所述金属薄膜的材质为金或者银。
本发明的有益效果：
①器件通用性较强，在不同波段下依然可以产生预设效果，无需改变设计好的几何结构，只需要改变设计中的几个参数，器件的适用范围还会扩展，可进行大部分太赫兹波段的研究。
②器件的鲁棒性强，在几个参数的波动下，不会引起器件性能的大范围波动，因此对器件的加工精度要求不高，降低了加工成本。
附图说明
图1是本发明背景技术提供的表面等离子激元波导的示意图；
图2是本发明背景技术提供的图1中的表面等离子激元波导的输出仿真图；
图3是本发明背景技术提供的一种三层立体结构的表面等离子激元器件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件的太赫兹光路图；
图6是图5中的非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件的耦合强度图；
图7是图5中的非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件的波导之间的能量传输损耗曲线图；
图8是图5中表面等离子激元在三个波导上的可视化传播路径图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图4所示，本发明的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，包括衬底4和水平设置在衬底4上的金属薄膜，所述金属薄膜的材质为金或者银。如图4所示，所述金属薄膜设置有三块，由位于中心的呈直线状的中心金属薄膜，和呈设置在中心金属薄膜两侧的侧部金属薄膜构成，中心金属薄膜为水平波导2，两侧的侧部金属薄分别是左侧部金属薄膜和右侧部金属薄膜，左侧部金属薄膜为左波导1，右侧部金属薄膜为右波导3，所述左侧部金属薄膜和右侧部金属薄膜均呈圆弧状，开口朝向远离中心金属薄膜一侧设置，两块相邻金属薄膜的最小间隔为4μm，左侧部金属薄膜的曲率圆圆心和右侧部金属薄膜的曲率圆圆心的连线与中心金属薄膜之间的夹角小于90度，两块所述侧部金属薄膜3的曲率圆圆心的偏移距离为0.5mm-3mm，所述中心金属薄膜和侧部金属薄膜的两侧壁上均设置有规则排列的锯齿结构，所述锯齿型结构的宽度为20μm-50μm，周期长度为30μm-60μm。
如图4所示，假定空间内存在一个三维坐标系，表面等离子体激元(surfaceplasmon polaritons,SPPs)沿着x轴方向向右传播，在SPPs波导之外，垂直于传播方向上的消逝场呈指数衰减，当两个相邻的金属薄膜之间的消逝场相互重叠，此时在它们之间就会产生能量交换，能量就会传递到下一个金属薄膜结构上。
左侧部金属薄膜和中心金属薄膜的归一化电场写做：
Ψ1(x,z)＝u1(z)exp(-iqx)(1)
Ψ2(x,z)＝u2(z)exp(-iqx)(2)
其中，u1(z)，u2(z)分别为左侧部金属薄膜和中心金属薄膜两个金属层上的表面等离子激元上的包络。消逝场的衰减率其中，εm是材料的介电常数，ω是入射光的频率，传输常数a,d,h分别为锯齿形结构的宽度,周期和深度,g为两个相邻金属薄膜之间的间隔。
在传输方向(x轴方向)上Ψ1(x,z)，Ψ2(x,z)一定满足亥姆霍兹方程，基于耦合模理论，我们可以得到如下形式的有输入源的亥姆霍兹方程：
其中εg为金属薄膜(金)的介电常数。
最终可以得到两个金属薄膜之间的耦合公式：
其中c12，c21为耦合系数：
由此形式也可以推算出三个金属薄膜之间的耦合公式为：
a1，a2，a3分别对应左侧部金属薄膜、中心金属薄膜、右侧部金属薄膜上的SPPs电场幅值。
本发明设计的非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件的俯视图及太赫兹光路图如图5所示，黑色粗箭头代表入射太赫兹光的光路，太赫兹光源经太赫兹发生器6发出入射到左波导1，然后在左波导1和中心波导2之间发生耦合，经过传输接着又耦合到右波导3上最终按箭头所示方向输出。
引入受激拉曼绝热通道(STIRAP)应用于表面等离子体激元波导的设计，该技术被广泛的应用于能级间的布居转移，由于能级间的布居转移和波导间的耦合能量转移非常类似，因而近年来，STIRAP技术被广泛地应用在波导间的能量转移方面。
当波导***能量在绝热条件演化时，初始时刻C23＞＞C12，在传输一段距离后C23＜＜C12，这样的耦合系数设计就可以使得最初注入到左波导1中的能量全部转移到右波导3。
为了更直观的表现出耦合效果，举例说明：
本实施例中，参数设置如下的波导结构：
①左波导1和右波导3之间的曲率圆圆心偏移距离δ＝1.5mm
②曲率半径R＝45mm
③水平波导长度L＝4mm
④锯齿型结构的宽度a＝40μm
⑤锯齿型结构的周期d＝50μm
⑥波导间的最短距离间隔g＝4μm
计算出的耦合强度图如图6所示。
如图7所示，根据SPPs的强度图可以看出，波导之间的能量传输过程，其中模拟实际情况下的有损曲线与理想条件下的曲线略有出入，但整体趋势一致。图8展示了SPPs在三个波导上的可视化传播路径。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (5)
1.一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，其特征在于：包括衬底和水平设置在衬底上的金属薄膜，所述金属薄膜设置有三块，由位于中心的呈直线状的中心金属薄膜，和设置在中心金属薄膜两侧的侧部金属薄膜构成，所述侧部金属薄膜呈圆弧状，开口朝向远离中心金属薄膜一侧设置，两块所述侧部金属薄膜的曲率圆圆心的连线与中心金属薄膜之间的夹角小于90度，所述中心金属薄膜和侧部金属薄膜的两侧壁上均设置有规则排列的锯齿结构。
2.根据权利要求1所述的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，其特征在于，两块所述侧部金属薄膜的曲率圆圆心的偏移距离为0.5mm-3mm。
3.根据权利要求2所述的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，其特征在于，所述两块相邻金属薄膜的最小间隔为1μm-5μm。
4.根据权利要求3所述的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，其特征在于，所述锯齿型结构的宽度为20μm-50μm，周期长度为30μm-60μm。
5.根据权利要求4所述的一种非对称性弯曲结构的太赫兹集成器件，其特征在于，所述金属薄膜的材质为金或者银。
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