一種太赫茲波可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲可控功能器件，尤其涉及一種太赫茲波可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換 器，太赫茲波可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波介于毫米波及紅外光波之間，它不僅具有毫米波及紅外光波的一些優(yōu)點(diǎn) (如具有良好的穿透性，能夠有效穿透非金屬物質(zhì)，成像的分辨率高等），還具有透視性、瞬 態(tài)性、高信噪比和低光子能量等優(yōu)點(diǎn)，使其在成像、雷達(dá)、光譜、醫(yī)學(xué)、通信和公共安全等領(lǐng) 域具有重要的研宄價(jià)值和深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。近年來(lái)，太赫茲波科學(xué)與技術(shù)的研宄成為光學(xué) 領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。發(fā)展太赫茲系統(tǒng)主要包括輻射源、探測(cè)器件和各種功能型器件，其中太赫 茲波功能型器件（如濾波器、分束器、模式轉(zhuǎn)換器、開(kāi)關(guān)等）是太赫茲波應(yīng)用系統(tǒng)的核心部 分，必不可少。太赫茲波段功能型器件尤其是可控功能器件匱乏，限制了太赫茲波技術(shù)的進(jìn) 一步應(yīng)用。
[0003] 在一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域如超透明器件、量子級(jí)聯(lián)激光器、無(wú)衍射光束和低傳輸及 彎曲損耗波導(dǎo)中需要進(jìn)行模式調(diào)控，這對(duì)高功率波的傳輸、測(cè)量等均十分重要，因此對(duì)模式 轉(zhuǎn)換器的研制勢(shì)在必行。理論上，模式轉(zhuǎn)換器包括一切能夠?qū)崿F(xiàn)模式轉(zhuǎn)換功能的器件。目 前，常見(jiàn)的模式轉(zhuǎn)換器主要有：（1)基于光纖光柵的模式轉(zhuǎn)換器（Journal of Lightwave Technology，2005, 23 (11)，3426)，采用光纖光柵將光纖中的基模轉(zhuǎn)換為高階模，但是不能 獲得100%的模式耦合，且基模剩余能量會(huì)對(duì)高階模的傳輸產(chǎn)生干擾。（2)基于光子晶體光 纖的模式轉(zhuǎn)換器（一種光纖模式轉(zhuǎn)換器，專利【申請(qǐng)?zhí)枴?00810021652. 8)，是一種雙芯光子 晶體光纖，包括由基質(zhì)材料構(gòu)成的包層和兩種大小不等的空氣孔組成的纖芯。利用兩種纖 芯中基模與高階模之間的能量耦合，實(shí)現(xiàn)基模與高階模之間的轉(zhuǎn)換。此種模式轉(zhuǎn)換器能夠 使基模與高階模完全分離，但不能保證基模和高階模的完全轉(zhuǎn)換。（3)基于波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換 器（一種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器，專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01410421925.3)，利用多模干涉結(jié)構(gòu)的自鏡像原 理實(shí)現(xiàn)超低損耗的條形波導(dǎo)與溝道波導(dǎo)基模的模式轉(zhuǎn)換。此種波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器易于加工， 轉(zhuǎn)換效率高，但是不能實(shí)現(xiàn)基模到高階模的轉(zhuǎn)換。
[0004] 絕大數(shù)的波導(dǎo)型單模器件都是基于波導(dǎo)的截止頻率實(shí)現(xiàn)的，因此，所能利用的單 模僅僅是波導(dǎo)中的基模。但是在許多現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中需要用到不同的模場(chǎng)分布，有時(shí)需要將 基模抑制掉，獲得單一的高階模式。由于基模具有最低的截止頻率，所以對(duì)基模的抑制就變 成了一個(gè)非常困難的課題。如何能夠簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)中各模式的按需選擇就成為一個(gè)富有 挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了提供一種在太赫茲頻段不僅能夠?qū)崿F(xiàn)從基模到單一高階模 高效轉(zhuǎn)換，而且輸出的高階模中心頻率在一個(gè)較寬范圍內(nèi)可調(diào)的太赫茲波可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換 器。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括至少兩個(gè)矩形周期起伏結(jié)構(gòu)組成的中空式圓柱 狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)，中空式圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的內(nèi)表面設(shè)置有金屬層。
[0007] 本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：
[0008] 1.每個(gè)矩形周期的長(zhǎng)度是Λ，
其中c是真空中光 速，η是Bragg共振的階數(shù)，&是工作頻率，\im)是m階Bessel函數(shù)的零點(diǎn)；
[0009] 矩形周期起伏參數(shù)是ε，ε = 0.1 rtl,其中Γ(ι是中空式圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的平 均半徑，
[0010] 2.所述金屬層的厚度是0-70 μ m，金屬層的材料是金或銀或鋁。
[0011] 3.中空式圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的材料是硅或石英或玻璃或樹(shù)脂材料或聚合物或 陶瓷。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：（1)在周期起伏金屬內(nèi)壁波導(dǎo)中利用模 間共振機(jī)理有效地實(shí)現(xiàn)了從基膜基模到單一高階模式的有效轉(zhuǎn)換，無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單緊湊，尺寸小，重量輕，易于小型化，便于集成。（2)基?；緹o(wú)能量剩余，高效 地轉(zhuǎn)換為單一高階模式輸出。（3)通過(guò)改變內(nèi)壁涂覆金屬層的厚度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻率的調(diào)諧，調(diào) 諧范圍寬。（4)模式轉(zhuǎn)換器為一整體的閉合金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可避免外界電磁輻射的干擾和介 質(zhì)的損耗，損耗小，可靠性高。本發(fā)明可滿足太赫茲波通信、成像、生物工程等系統(tǒng)對(duì)模場(chǎng)分 布的要求，尤其是有利于太赫茲系統(tǒng)的小型化和集成化，在太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域中有十分廣闊 的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明的一個(gè)周期的矩形周期起伏結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器中電磁場(chǎng)分布縱向截面圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明實(shí)施中波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換器輸出單一高階模中心頻率隨金層厚度的變 化。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0018] 本發(fā)明所依據(jù)的原理是：
[0019] 太赫茲波導(dǎo)可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理為：低階模式的太赫茲波入射到圓 柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)中，在矩形周期起伏結(jié)構(gòu)中發(fā)生橫向駐波模式的共振相互作用，在輸出 端輸出單一的高階模式。第m階橫向模式的色散曲線可由下式給出：
[0020]
(1)
[0021] 式中，是第m階Bessel函數(shù)的零點(diǎn)，m的取值為1，2, 3, ... :^是圓柱狀金屬內(nèi) 壁波導(dǎo)的平均半徑，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，η的取值為0, 1，2, ...，Λ是矩 形起伏結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)度。其中，當(dāng)高階模式的截止頻率等于低階模式的共振頻率時(shí)，不同橫 向駐波模式間產(chǎn)生共振相互作用，使得低階模式被抑制，而單一高階模式能夠產(chǎn)生并傳播， 也就是實(shí)現(xiàn)從低階模式到高階模式的轉(zhuǎn)換。
[0022] 進(jìn)一步，通過(guò)控制矩形周期起伏結(jié)構(gòu)的管壁內(nèi)表面涂覆金屬層的厚度，改變圓柱 狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的譜帶結(jié)構(gòu)，從而控制模式轉(zhuǎn)換器通帶位置的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸出頻率調(diào)諧的 功能。當(dāng)金屬層厚度不斷增大，圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的譜帶位置由低頻向高頻移動(dòng)，從而使 模式轉(zhuǎn)換器的通帶向高頻移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸出頻率調(diào)諧。因此可根據(jù)實(shí)際需要的模場(chǎng)分布和工 作頻率，來(lái)選擇波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)和波導(dǎo)內(nèi)壁金屬層的涂覆厚度。
[0023] -種太赫茲波導(dǎo)可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器，是由矩形周期起伏管壁構(gòu)成的圓柱狀金 屬內(nèi)壁波導(dǎo)，所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)的管壁內(nèi)表面涂覆一層金屬層。在所述外層矩形 周期起伏結(jié)構(gòu)的管壁內(nèi)表面涂覆一層金屬層，所述金屬層的厚度在0-70 ym之間改 變。所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)的管壁材料為硅、石英、各種玻璃、樹(shù)脂材料、聚合物、陶瓷 等。其內(nèi)壁金屬涂層可以用金、銀、鋁等金屬材料。所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)參數(shù)可由多 橫模共振相互作用機(jī)理給出：由圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)中第m階橫向模式的色散曲線一
,式中：是m階Bessel函數(shù)的零點(diǎn)，m的取值為 1，2, 3,... Γ(ι是圓柱狀波導(dǎo)的平均半徑，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，η的取值 為0，1，2，... Λ是矩形起伏結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)度）可知，在傳播常數(shù)β等于0時(shí)，第m階橫向 模式發(fā)生共振作用（即η = 1，2,...），其共振頻率為/(m)。當(dāng)?shù)趍+1階橫向模式的截止頻 率/^w (即n = 0)與第m階橫向模式的共振頻率相等時(shí)，設(shè)定圓柱狀波導(dǎo)的工作頻 率為/。=//- =/，+1)，可以求出圓柱狀金屬波導(dǎo)的平均半徑G = c · C+1V (2ΤΛ)，矩形起 伏結(jié)構(gòu)的周期
。其中，所述圓柱狀波導(dǎo)的矩形周期起伏參數(shù) 為ε = 0.1 iv所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)占空比為1:1，根據(jù)設(shè)計(jì)也可以包括其他占空比結(jié) 構(gòu)。低階太赫茲波從此結(jié)構(gòu)參數(shù)下圓柱狀波導(dǎo)的輸入端輸入，在矩形周期起伏結(jié)構(gòu)中發(fā)生 第m階及第m+Ι階橫向駐波模式的共振相互作用，輸出端輸出單一的高階模式太赫茲波，實(shí) 現(xiàn)高效的模式轉(zhuǎn)換。圓柱狀金屬內(nèi)壁波導(dǎo)的制作方法是使用MEMS深度光刻工藝在硅片、石 英、玻璃或聚合物上成型。之后，利用X-LIGA工藝在所述矩形周期起伏結(jié)構(gòu)的管壁內(nèi)表面 涂覆一層金屬。通過(guò)改變金屬層的厚度（0-70 ym)，使輸出譜帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)模 式轉(zhuǎn)換器頻率的調(diào)諧。隨著金屬層厚度增大，模式轉(zhuǎn)換器輸出頻率向高頻移動(dòng)，該波導(dǎo)模式 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)輸出頻率寬帶線性調(diào)諧。
[0024] -種太