一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，包括：由第一光子晶體和第二光子晶體組成的用于接收太赫茲波入射的光子晶體異質(zhì)結(jié)，分別設(shè)置在光子晶體異質(zhì)結(jié)兩側(cè)用于引入太赫茲波的入射端口和用于導(dǎo)出太赫茲波的出射端口，其中，第一光子晶體和第二光子晶體分別設(shè)有多個小孔和大孔?；诘谝还庾泳w和第二光子晶體相同的周期、通過控制大孔和小孔的半徑比，入射端口和出射端口的大小以及分界面形狀來達(dá)到透射和隔離的效果，具有高正向透射率和高反向隔離度。本發(fā)明中的基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，不需要外加低溫和磁場等極端條件，在常溫常態(tài)條件下就可以正常工作。
【專利說明】一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲隔離器，具體是涉及一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲是一種新型的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源，頻率在0.1THz到IOTHz范圍，波長大概在0.03到3_范圍，介于微波與紅外之間。
[0003]太赫茲技術(shù)作為一門前沿的新興交叉學(xué)科，對其他科學(xué)如物理、化學(xué)、天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等均有重大的影響，給技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全提供了一個非常誘人的機(jī)遇。同時太赫茲系統(tǒng)在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究、斷層成像技術(shù)、無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像、化學(xué)和生物的檢查，以及寬帶通信、微波定向等許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。而隔離器則是各種太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵元件，隔離器具有保護(hù)發(fā)射源、減少頻率牽引、去干擾、分離收發(fā)、清除不必要的輻射等功能，在電路中的設(shè)計功能是實(shí)現(xiàn)單向傳輸。理想的隔離器是對一個方向的太赫茲波功率完全吸收，對相反的太赫茲波功率則無損傳輸。通常使用的隔離器要求正向傳輸插入損耗盡可能小，反向衰減盡可能大。目前，對隔離器的設(shè)計和材料選取等方面的研究引起人們的廣泛關(guān)注，但是現(xiàn)階段大部分的隔離器都只是應(yīng)用于微波領(lǐng)域。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，公開了一種磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器裝置。這種太赫茲隔離器裝置由金屬壁與半 導(dǎo)體銻化銦柱陣列構(gòu)成非對稱、周期性結(jié)構(gòu)的表面等離子體波導(dǎo)。通過在低溫下外加強(qiáng)磁場，銻化銦表現(xiàn)出旋電性質(zhì)，該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生磁表面等離子體模式，實(shí)現(xiàn)對太赫茲波單向隔離傳輸?shù)墓δ堋?br> [0005]但是，上述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器裝置采用的技術(shù)方案，需要外加低溫和強(qiáng)磁場等極端條件。所以，現(xiàn)有技術(shù)缺乏一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，無需外加低溫和強(qiáng)磁場等極端條件，在常溫常態(tài)條件下就可以正常工作的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，無需外加低溫和強(qiáng)磁場等極端條件就能實(shí)現(xiàn)在太赫茲波段對特定的頻率達(dá)到隔離的效果。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，具有這樣的特征:包括:用于接收太赫茲波入射的光子晶體異質(zhì)結(jié)，位于光子晶體異質(zhì)結(jié)一側(cè)的第一端口，以及位于光子晶體異質(zhì)結(jié)另一側(cè)的第二端口，其中，光子晶體異質(zhì)結(jié)包含分別位于光子晶體異質(zhì)結(jié)中兩側(cè)的第一光子晶體和第二光子晶體，第一端口靠近第一光子晶體設(shè)置，第二端口靠近第二光子晶體設(shè)置，第一光子晶體設(shè)有多個均勻分布的小孔，第二光子晶體設(shè)有多個均勻分布的大孔，第一光子晶體和第二光子晶體之間設(shè)有朝向第一光子晶體凸起的分界面，且分界面的兩端分別位于第二端口的兩側(cè)，第一端口作為引入太赫茲波的入射端口，第二端口作為導(dǎo)出太赫茲波的出射端口，出射端口的寬度大于入射端口的寬度。
[0008]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，大孔半徑是小孔半徑的2.2倍。
[0009]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，入射端口的長度LI為37.5um至3750um,寬度Wl為15um至1500um，出射端口的長度L2為45um至4500um,寬度W2為75um至7500um，第一光子晶體和第二光子晶體的周期P為7.5um至750um，厚度H為Ium至lOOOOum，小孔的半徑Rl為1.25um至125um,大孔的半徑R2為2.75um至275um。
[0010]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，入射端口的長度LI等于750um，寬度Wl等于300um，出射端口的長度L2等于900um，寬度W2等于1500um，第一光子晶體和第二光子晶體的周期P等于150um，厚度H等于300um，小孔的半徑Rl等于25um,大孔的半徑R2等于55um。
[0011]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，分界面為頂角朝向第一光子晶體的V字形分界面。
[0012]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，V字形分界面的頂角角度為90°。
[0013]在本發(fā)明提供的太赫茲隔離器中，還可以具有這樣的特征:其中，V字形分界面的頂角角度為126.87°。
[0014]發(fā)明的作用與效果
[0015]根據(jù)本發(fā)明所涉及的基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，包括:由第一光子晶體和第二光子晶體組成的用于接收太赫茲波入射的光子晶體異質(zhì)結(jié)，分別設(shè)置在光子晶體異質(zhì)結(jié)兩側(cè)用于引入太赫茲波的入射端口和用于導(dǎo)出太赫茲波的出射端口，其中，第一光子晶體和第二光子晶體分別設(shè)有多個小孔和大孔?；诘谝还庾泳w和第二光子晶體相同的周期、通過控制大孔和小孔的半徑比，入射端口和出設(shè)端口的大小以及分界面形狀來達(dá)到透射和隔離的效果，因此，具有高正向透射率和高反向隔離度，所以，本發(fā)明能夠提供一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，在常溫常態(tài)條件下就可以正常工作，不需要外加低溫和強(qiáng)磁場等極端條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器的工作原理圖；以及
[0018]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器模擬仿真的正向透射圖。
[0019]圖中，100.太赫茲隔離器，1.光子晶體異質(zhì)結(jié)，2.小孔，3.大孔，4.第一光子晶體，
5.第二光子晶體，6.V字形分界面，7.第一端口，8.第二端口。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作具體闡述。
[0021]實(shí)施例
[0022]高阻單晶硅在太赫茲波段是比較適合的絕緣材料，并且具有良好的加工性能，所以一般選擇高阻硅通過機(jī)械倒模加工、電化學(xué)腐蝕法等方法制備此類太赫茲隔離器。機(jī)械倒模加工采用類似于早期的光柵加工方式，在防震臺上用步進(jìn)電機(jī)機(jī)械刻出所需要的光子晶體異質(zhì)結(jié)I。電化學(xué)腐蝕法采用類似于集成電路腐蝕加工的方式，先制作腐蝕掩膜版，在鋁膜上涂光刻膠，紫外光通過掩膜版照射使得不需要腐蝕的地方的光刻膠凝固，然后清洗掉多余的光刻膠，用氫氟酸通過電化學(xué)腐蝕法加工出所需要的光子晶體異質(zhì)結(jié)I。
[0023]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]如圖1所示，本實(shí)施例中的基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，包括:光子晶體異質(zhì)結(jié)1、第一端口 7以及第二端口 8。
[0025]光子晶體異質(zhì)結(jié)I用于接收太赫茲波入射，第一端口 7位于光子晶體異質(zhì)結(jié)一側(cè)，第二端口 8位于光子晶體異質(zhì)結(jié)相對應(yīng)的另一側(cè)，光子晶體異質(zhì)結(jié)I包含分別位于光子晶體異質(zhì)結(jié)I中兩側(cè)的第一光子晶體4和第二光子晶體5,第一端口 7靠近第一光子晶體4設(shè)置，第二端口 8靠近第二光子晶體5設(shè)置，第一光子晶體4設(shè)有多個均勻分布的小孔2，第二光子晶體5設(shè)有多個均勻分布的大孔3，第一光子晶體4和第二光子晶體5之間設(shè)有頂角朝向第一光子晶體4且兩端分別位于第二端口 8兩側(cè)的V字形分界面6，第一端口 7作為引入太赫茲波的入射端口，第二端口 8作為導(dǎo)出太赫茲波的出射端口，出射端口的寬度大于入射端口的寬度。
[0026]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器的工作原理圖。
[0027]如圖2所示，當(dāng)太赫茲波由入射端口正向入射時，其入射光和出射光分別位于法線的兩側(cè)，屬于正常的折射現(xiàn)象，而當(dāng)太赫茲波由出射端口反向入射時，出射光線和入射光線位于法線的同一側(cè)，出現(xiàn)了負(fù)折射現(xiàn)象。因此，從入射端口入射的太赫茲波將從出射端口出射。而從出射端口反向入射的太赫茲波將從光子晶體異質(zhì)結(jié)I的另外兩側(cè)出射，從而達(dá)到隔離的效果。
[0028]當(dāng)入射端口的長度LI取值為37.5um至3750um，寬度Wl取值為15um至1500um，出射端口的長度L2取值為45um至4500um，寬度W2取值為75um至7500um，第一光子晶體和第二光子晶體的周期P取值為7.5um至750um，厚度H取值為Ium至lOOOOum，小孔2的半徑Rl取值為1.25um至125um，大孔3的半徑R2取值為2.75um至275um，V字形分界面6的頂角角度設(shè)置成90°或126.87°，太赫茲隔離器的透射和隔離效果較好。
[0029]通常大孔3半徑R2設(shè)置為小孔2半徑Rl的2至3倍，為了使太赫茲隔離器的透射和隔離效果更好，將大孔半徑Rl設(shè)置為小孔半徑R2的2.2倍。
[0030]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例中基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器模擬仿真的正向透射圖。
[0031]如圖1和圖3所示，為了使太赫茲隔離器的透射和隔離效果最好，V字形分界面6的夾角角度取值為90度時，相應(yīng)地取值入射端口 7的長度Ll=750um，寬Wl=300um，出射端口 8的長度L2=900um，寬W2=1500um，第一光子晶體和第二光子晶體的周期P=150um，厚度H=300um,小孔的2半徑Rl=25um，大孔3的半徑R2=55um，在太赫茲頻率為0.534THz處正向透射率達(dá)21.72%，反向透射率達(dá)0.45%，隔離度為23.59dB。由于大孔3的半徑R2比小孔2的半徑Rl大得多，因此兩種光子晶體在太赫茲頻率0.5THz到0.65THz之間會產(chǎn)生通帶重疊，從而出現(xiàn)雙峰。此雙峰會隨著兩半徑差值減小而消失，同樣反射端也會產(chǎn)生相應(yīng)的雙峰結(jié)構(gòu)，但由于負(fù)折射現(xiàn)象，使峰值降低。同時入射端口 7與出射端口 8的不對稱性，從而使兩峰之間的波谷在太赫茲頻率漂移，這樣產(chǎn)生一個很好的隔離效果。
[0032]實(shí)施例的作用與效果
[0033]根據(jù)本實(shí)施例提供的基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，包括:由第一光子晶體和第二光子晶體組成的用于接收太赫茲波入射的光子晶體異質(zhì)結(jié)，分別設(shè)置在光子晶體異質(zhì)結(jié)兩側(cè)用于引入太赫茲波的入射端口和用于導(dǎo)出太赫茲波的出射端口，其中，第一光子晶體和第二光子晶體分別設(shè)有多個小孔和大孔?；诘谝还庾泳w和第二光子晶體相同的周期、通過控制大孔和小孔的半徑比，入射端口和出設(shè)端口的大小以及分界面形狀來達(dá)到透射和隔離的效果，因此，具有高正向透射率和高反向隔離度，所以，本發(fā)明能夠提供一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，在常溫常態(tài)條件下就可以正常工作，不需要外加低溫和強(qiáng)磁場等極端條件。
[0034]在本實(shí)施例中，還由于大孔的半徑比小孔的半徑大得多，因此兩種光子晶體在太赫茲頻率0.5THz到0.65THz之間會產(chǎn)生通帶重疊，從而出現(xiàn)雙峰。此雙峰會隨著兩半徑差值減小而消失，同樣反射端也會產(chǎn)生相應(yīng)的雙峰結(jié)構(gòu)，但由于負(fù)折射現(xiàn)象，使峰值降低。同時入射端口與出射端口的不對稱性，從而使兩峰之間的波谷在太赫茲頻率漂移，這樣產(chǎn)生一個很好的隔離效果。
[0035]當(dāng)然本發(fā)明所涉及的太赫茲隔離器并不僅僅限定于在本實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光子晶體異質(zhì)結(jié)的太赫茲隔離器，其特征在于，包括: 用于接收太赫茲波入射的光子晶體異質(zhì)結(jié)； 位于所述光子晶體異質(zhì)結(jié)一側(cè)的第一端口；以及 位于所述光子晶體異質(zhì)結(jié)另一側(cè)的第二端口， 其中，所述光子晶體異質(zhì)結(jié)包含分別位于所述光子晶體異質(zhì)結(jié)中兩側(cè)的第一光子晶體和第二光子晶體，所述第一端口靠近所述第一光子晶體設(shè)置，所述第二端口靠近所述第二光子晶體設(shè)置， 所述第一光子晶體設(shè)有多個均勻分布的小孔， 所述第二光子晶體設(shè)有多個均勻分布的大孔， 所述第一光子晶體和所述第二光子晶體之間設(shè)有朝向所述第一光子晶體凸起的分界面，且所述分界面的兩端分別位于所述第二端口的兩側(cè)， 所述第一端口作為引入所述太赫茲波的入射端口，所述第二端口作為導(dǎo)出所述太赫茲波的出射端口，所述出射端口的寬度大于所述入射端口的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述大孔半徑是所述小孔半徑的2.2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述入射端口的長度LI為37.5um至3750um，寬度Wl為15um至1500um， 所述出射端口的長度L2為45um至4500um，寬度W2為75um至7500um， 所述第一光子晶體和所述第二光子晶體的周期P為7.5um至750um，厚度H為Ium至lOOOOum，所述小孔的半徑Rl為1.25um至125um,所述大孔的半徑R2為2.75um至275um。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述入射端口的長度LI等于750um，寬度Wl等于300um， 所述出射端口的長度L2等于900um，寬度W2等于1500um， 所述第一光子晶體和所述第二光子晶體的周期P等于150um，厚度H等于300um，所述小孔的半徑Rl等于25um,所述大孔的半徑R2等于55um。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述分界面為頂角朝向所述第一光子晶體的V字形分界面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述V字形分界面的頂角角度為90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲隔離器，其特征在于: 其中，所述V字形分界面的頂角角度為126.87°。
【文檔編號】G02F1/00GK103592781SQ201310560668
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】袁明輝, 黃鑫, 陳長英, 閻祖星, 殷越, 陳麟, 朱亦鳴 申請人:上海理工大學(xué)