基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器。它包括孔状镂空平板、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端，信号输入端与六个输出端间有四个Y形波导通道和一个多模干涉区域，输入的太赫兹波经多模干涉区域分为2路，再经两个第二级Y形波导通道分为4路，其中2路再经两个第三级Y形波导通道分为4路，实现6路等功率输出太赫兹波；另外，通过调节温度来改变局部平板的折射率，可以使二级Y形波导不进行功分，实现6路变4路等功率输出太赫兹波的可调效果。本发明具有结构简单、功分效率高，尺寸小，成本低、易于集成等优点。
【专利说明】
基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器
技术领域
[0001] 本发明涉及太赫兹波功分器，尤其涉及一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫 兹波功分器。
【背景技术】
[0002] 太赫兹辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，它在电磁波谱中位于微波和红 外辐射之间，太赫兹辐射的命名来源于它的振荡频率在ITHz左右，在电子学领域里，这一频 段的电磁波又被称作毫米波和亚毫米波;而在光谱学领域，它也被称为远红外射线。在20世 纪80年代中期以前，由于缺乏高能量、高效率、室温下稳定运转的太赫兹辐射源以及有效的 太赫兹波探测技术，太赫兹技术及应用研究进展非常缓慢，相关的文献报道也屈指可数，太 赫兹波段成为宽广的电磁波谱中唯 块尚未充分开发利用的波段，被科学界称为电磁波 谱最后的"太赫兹空隙"。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被 发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。
[0003] 太赫兹波功分器是一类重要的太赫兹波功能器件，近年来太赫兹波功分器已成为 国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波功分器大都存在着结构复杂、功分效率低、 成本尚等诸多缺点，所以研究结构简单、功分效率尚、成本低、尺寸小，具有可调性能的太赫 兹波功分器意义重大。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构简单、功分效率高的基于镂空平板 结构的可调多通道太赫兹波功分器。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，包括孔状镂空平板、空气孔、第 一直线波导、第二直线波导、第三直线波导、第四直线波导、第五直线波导、第六直线波导、 第七直线波导、第八直线波导、第九直线波导、第一 Y形波导、第二Y形波导、第三Y形波导、第 四Y形波导、第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组合、第五空 气孔组合、第六空气孔组合、第七空气孔组合、第八空气孔组合、多模干涉区域、第一空气 孔、第二空气孔、第三空气孔、第四空气孔、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端、 第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端、第六信号输出端、第九空气孔组合;孔 状镂空平板中设有呈二维正三角形周期排列的空气孔光子晶体，在去除部分二维周期排列 的空气孔光子晶体后，孔状镂空平板上形成了第一直线波导、第二直线波导、第三直线波 导、第四直线波导、第五直线波导、第六直线波导、第七直线波导、第八直线波导、第九直线 波导、第一 Y形波导、第二Y形波导、第三Y形波导、第四Y形波导和多模干涉区域，第一直线波 导的左端设有信号输入端，第二直线波导的左端设有第五信号输出端，第三直线波导的左 端设有第六信号输出端，第六直线波导的右端设有第一信号输出端，第七直线波导的右端 设有第四信号输出端，第八直线波导的右端设有第二信号输出端，第九直线波导的右端设 有第三信号输出端，多模干涉区域的左端与第一直线波导相连，多模干涉区域的右下端和 右上端分别通过第四直线波导和第五直线波导与第一 Y形波导的左上端和第二Y形波导的 左下端相连，第一 Y形波导的左下端与第二直线波导的右端相连，第二Y形波导的左上端与 第三直线波导的右端相连，第三Y形波导的左端、右上端、右下端分别与第一 Y形波导的右 端、第八直线波导的左端、第六直线波导的左端相连，第四Y形波导的左端、右上端、右下端 分别与第二Y形波导的右端、第七直线波导的左端、第九直线波导的左端相连，第一 Y形波导 的中心偏左下的位置设有第二空气孔，第二Y形波导的中心偏左上的位置设有第一空气孔， 第三Y形波导的中心设有第三空气孔，第四Y形波导的中心设有第四空气孔，第一 Y形波导与 第二直线波导、第四直线波导的连接处分别设有第一空气孔组合和第三空气孔组合，第二Y 形波导与第三直线波导、第五直线波导的连接处分别设有第二空气孔组合和第四空气孔组 合，第三Y形波导与第六直线波导、第八直线波导的连接处设有第五空气孔组合和第七空气 孔组合，第四Y形波导与第七直线波导、第九直线波导的连接处设有第六空气孔组合和第八 空气孔组合，第九空气孔组合位于多模干涉区域的右侧中端。
[0007] 上述技术方案可采用如下优选方式：
[0008] 所述的孔状镂空平板的材料为硅，当温度为25 °C时，折射率为3.45,当温度变为 650 °C时，折射率为3.6。所述的二维周期排列的空气孔光子晶体的半径为24~25wii，空气孔 圆心之间的距离为76~80wii。所述的第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、 第四空气孔组合、第五空气孔组合、第六空气孔组合、第七空气孔组合和第八空气孔组合形 状结构相同，空气孔组合中空气孔的半径均为24~25mi，空气孔圆心之间的距离为118~ 119圓。所述的第一空气孔半径为15~16圓，第一空气孔以第二Y形波导的中心为原点向左 上方移动了 23~24mi。所述的第二空气孔半径为15~16mi，第二空气孔以第一 Y形波导的中 心为原点向左下方移动了23~24wii。所述的第三空气孔和第四空气孔形状相同，半径均为 15~16wn，第三空气孔和第四空气孔分别位于第三Y形波导和第四Y形波导的中心。第九空 气孔组合的上端空气孔、下端空气孔、右端空气孔的半径均为24~25WH，右端空气孔与上端 空气孔、下端空气圆心之间的距离均为57~58M1，左端空气孔的半径为19~20mi，左端空气 孔与右端空气孔圆心之间的距离为54~55wii。孔状镂空平板上设有矩形的温度调节区域， 温度调节区域的左端边界穿过第一 Y形波导和第二Y形波导最右端上方的第一个空气孔的 圆心，温度调节区域横向宽度为相邻两个空气孔圆心距的4倍。
[0009] 本发明的基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器具有结构简单紧凑，功 分效率高，尺寸小，体积小，便于制作，可调等优点，满足在太赫兹波成像、医学诊断、太赫兹 波通信等领域应用的要求。
【附图说明】
[0010] 图1是基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器的三维结构示意图；
[0011] 图2是基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器的二维结构示意图；
[0012] 图3是基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器在ITHz时，未加热（25°C) 时功分器稳态电场分布图；
[0013] 图4是基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器在ITHz时，对温度调节区 域加热到650°C时功分器稳态电场分布图。
【具体实施方式】
[0014]如图1和2所示，一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，包括孔状 镂空平板37、空气孔35、第一直线波导1、第二直线波导2、第三直线波导3、第四直线波导4、 第五直线波导5、第六直线波导6、第七直线波导7、第八直线波导8、第九直线波导9、第一 Y形 波导10、第二Y形波导11、第三Y形波导12、第四Y形波导13、第一空气孔组合14、第二空气孔 组合15、第三空气孔组合16、第四空气孔组合17、第五空气孔组合18、第六空气孔组合19、第 七空气孔组合20、第八空气孔组合21、多模干涉区域22、第一空气孔23、第二空气孔24、第三 空气孔25、第四空气孔26、信号输入端27、第一信号输出端28、第二信号输出端29、第三信号 输出端30、第四信号输出端31、第五信号输出端32、第六信号输出端33、第九空气孔组合36; 孔状镂空平板37中设有呈二维正三角形周期排列的空气孔光子晶体10,在去除部分二维周 期排列的空气孔光子晶体10后，孔状镂空平板上形成了第一直线波导1、第二直线波导2、第 三直线波导3、第四直线波导4、第五直线波导5、第六直线波导6、第七直线波导7、第八直线 波导8、第九直线波导9、第一 Y形波导10、第二Y形波导11、第三Y形波导12、第四Y形波导13和 多模干涉区域22,第一直线波导1的左端设有信号输入端27,第二直线波导2的左端设有第 五信号输出端32,第三直线波导3的左端设有第六信号输出端33,第六直线波导6的右端设 有第一信号输出端28,第七直线波导7的右端设有第四信号输出端31，第八直线波导8的右 端设有第二信号输出端29,第九直线波导9的右端设有第三信号输出端30,多模干涉区域22 的左端与第一直线波导1相连，多模干涉区域22的右下端和右上端分别通过第四直线波导4 和第五直线波导5与第一 Y形波导10的左上端和第二Y形波导11的左下端相连，第一 Y形波导 10的左下端与第二直线波导2的右端相连，第二Y形波导11的左上端与第三直线波导3的右 端相连，第三Y形波导12的左端、右上端、右下端分别与第一 Y形波导10的右端、第八直线波 导8的左端、第六直线波导6的左端相连，第四Y形波导13的左端、右上端、右下端分别与第二 Y形波导11的右端、第七直线波导7的左端、第九直线波导9的左端相连，第一 Y形波导10的中 心(本发明中，Y形波导的中心指Y形波导的三条分支直线波导中心线的交点)偏左下的位置 设有第二空气孔24,第二Y形波导11的中心偏左上的位置设有第一空气孔23,第三Y形波导 12的中心设有第三空气孔25，第四Y形波导13的中心设有第四空气孔26，第一 Y形波导10与 第二直线波导2、第四直线波导4的连接处分别设有第一空气孔组合14和第三空气孔组合 16,第二Y形波导11与第三直线波导3、第五直线波导5的连接处分别设有第二空气孔组合15 和第四空气孔组合17,第三Y形波导12与第六直线波导6、第八直线波导8的连接处设有第五 空气孔组合18和第七空气孔组合20,第四Y形波导13与第七直线波导7、第九直线波导9的连 接处设有第六空气孔组合19和第八空气孔组合21，第九空气孔组合36位于多模干涉区域22 的右侧中端。
[0015]所述的孔状镂空平板36的材料为硅，当温度为25 °C时，折射率为3.45，当温度变为 650 °C时，折射率为3.6。所述的二维周期排列的空气孔光子晶体35的半径为24~25wii，空气 孔圆心之间的距离为76~80wii。所述的第一空气孔组合14、第二空气孔组合15、第三空气孔 组合16、第四空气孔组合17、第五空气孔组合18、第六空气孔组合19、第七空气孔组合20和 第八空气孔组合21形状结构相同，均包含两个空气孔。空气孔组合中空气孔的半径均为24 ~25mi，空气孔圆心之间的距离为118~1191?]1。所述的第一空气孔23半径为15~16wii，为了 实现第二Y形波导11的不等分效果，第一空气孔23以第二Y形波导11的中心为原点向左上方 45°移动了23~24wii。所述的第二空气孔24半径为15~16wii，为了实现第一 Y形波导10的不 等分效果，第二空气孔24以第一Y形波导10的中心为原点向左下方45°移动了23~24wii。所 述的第三空气孔25和第四空气孔26形状相同，半径均为15~16wii，第三空气孔25和第四空 气孔26分别位于第三Y形波导12和第四Y形波导13的中心。所述的第九空气孔组合36的存在 是为了减少多模干涉区域22的损耗，第九空气孔组合36的上端空气孔、下端空气孔、右端空 气孔的半径均为24~25wn，右端空气孔与上端空气孔、下端空气圆心之间的距离均为57~ 58mi，左端空气孔的半径为19~20wii，左端空气孔与右端空气孔圆心之间的距离为54~55y m〇
[0016] 孔状镂空平板37上设有矩形的温度调节区域34,矩形纵向横跨整块孔状镂空平板 37,顶部和底部均与孔状镂空平板37的边界重合。温度调节区域34的左端边界穿过第一 Y形 波导10和第二Y形波导11最右端上方的第一个空气孔的圆心，温度调节区域34横向宽度为 相邻两个空气孔圆心距的4倍。
[0017] 温度调节区域34用于进行加热。未加热时，太赫兹波从信号输入端27输入经过多 模干涉区域22分为两路，再经由第一 Y形波导10和第二Y形波导11分为4路，其中2路经由第 三Y形波导12和第四Y形波导13分为4路，最终实现6个输出端等量输出，对温度调节区域34 进行加热，改变温度调节区域34的折射率，使得进入第一Y形波导10和第二Y形波导11的太 赫兹波无法进入第二直线波导2和第三直线波导3,最终实现6路等量输出变为4路等量输 出。
[0018] 实施例1
[0019] 本实施例中，可调多通道太赫兹波功分器的结构亦如前所述（图1和2)，具体结构 在此不再赘叙。可调多通道太赫兹波功分器的结构参数具体为:孔状镂空平板的材料为硅， 当温度为25°C时，折射率为3.45，当温度变为650 °C时，折射率为3.6。二维周期排列的空气 孔光子晶体是呈等边三角形周期性分布的空气孔光子晶体阵列，半径为24.96WH，空气孔圆 心之间的距离为78mi。第一空气孔组合、第二空气孔组合、第三空气孔组合、第四空气孔组 合、第五空气孔组合、第六空气孔组合、第七空气孔组合和第八空气孔组合形状结构相同， 空气孔组合中空气孔的半径均为24.96wii，空气孔圆心之间的距离为118.56mi。第一空气孔 半径为15.6wn，为了实现第二Y形波导的不等分效果，第一空气孔以第二Y形波导的中心为 原点向左上方移动了 23.4m。第二空气孔半径为15.6wii，为了实现第一 Y形波导的不等分效 果，第二空气孔以第一 Y形波导10的中心为原点向左下方移动了 23.4m。第三空气孔和第四 空气孔形状相同，半径均为15.6mi，第三空气孔和第四空气孔分别位于第三Y形波导和第四 Y形波导的中心。第九空气孔组合的上端空气孔、下端空气孔、右端空气孔的半径均为24.96 Mi，右端空气孔与上端空气孔、下端空气圆心之间的距离均为57.6wii，左端空气孔的半径为 19.5mi，左端空气孔与右端空气孔圆心之间的距离为54.6ym。
[0020] 本发明的信号输入端与六个输出端间有四个Y形波导通道和一个多模干涉区域， 输入的太赫兹波经多模干涉区域分为2路，再经两个第二级Y形波导通道分为4路，其中2路 再经两个第三级Y形波导通道分为4路，实现6路等功率输出太赫兹波；另外，通过调节温度 来改变局部平板的折射率，可以使二级Y形波导不进行功分，实现6路变4路等功率输出太赫 兹波的可调效果。具体的：未对温度调节区域加热时，即温度为25°C时，输入太赫兹波频率 为ITHz时功分器稳态电场分布图如图3所示;对温度调节区域加热到650°C时，输入太赫兹 波频率为ITHz时功分器稳态电场分布图如图4所示。温度改变前后各输出端的输出效率如 表1所示。综上可以看出，所提出的设计较好的实现了一个可调的多通道太赫兹波功分器。
[0021]表1各端口的输出效率
【主权项】
1. 一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特征在于包括孔状镂空平 板(37)、空气孔(35)、第一直线波导（1)、第二直线波导（2)、第三直线波导(3)、第四直线波 导(4)、第五直线波导(5)、第六直线波导(6)、第七直线波导（7)、第八直线波导(8)、第九直 线波导(9)、第一 Y形波导（10)、第二Y形波导（11)、第三Y形波导（12)、第四Y形波导（13)、第 一空气孔组合（14)、第二空气孔组合（15)、第三空气孔组合（16)、第四空气孔组合（17)、第 五空气孔组合（18)、第六空气孔组合（19)、第七空气孔组合(20)、第八空气孔组合(21)、多 模干涉区域(22)、第一空气孔(23)、第二空气孔(24)、第三空气孔(25)、第四空气孔(26)、信 号输入端(27)、第一信号输出端(28)、第二信号输出端(29)、第三信号输出端(30)、第四信 号输出端(31 )、第五信号输出端(32 )、第六信号输出端(33 )、第九空气孔组合(36);孔状镂 空平板(37)中设有呈二维正三角形周期排列的空气孔光子晶体(10)，在去除部分二维周期 排列的空气孔光子晶体（10)后，孔状镂空平板上形成了第一直线波导（1)、第二直线波导 (2)、第三直线波导(3)、第四直线波导(4)、第五直线波导（5)、第六直线波导(6)、第七直线 波导(7)、第八直线波导(8)、第九直线波导(9)、第一 Y形波导（10)、第二Y形波导（11)、第三Y 形波导（12)、第四Y形波导（13)和多模干涉区域(22)，第一直线波导（1)的左端设有信号输 入端(27)，第二直线波导(2)的左端设有第五信号输出端(32)，第三直线波导（3)的左端设 有第六信号输出端(33)，第六直线波导(6)的右端设有第一信号输出端(28)，第七直线波导 (7)的右端设有第四信号输出端(31)，第八直线波导(8)的右端设有第二信号输出端(29)， 第九直线波导(9)的右端设有第三信号输出端(30)，多模干涉区域(22)的左端与第一直线 波导（1)相连，多模干涉区域(22)的右下端和右上端分别通过第四直线波导(4)和第五直线 波导(5)与第一 Y形波导（10)的左上端和第二Y形波导（11)的左下端相连，第一 Y形波导（10) 的左下端与第二直线波导（2)的右端相连，第二Y形波导（11)的左上端与第三直线波导（3) 的右端相连，第三Y形波导（12)的左端、右上端、右下端分别与第一 Y形波导（10)的右端、第 八直线波导(8)的左端、第六直线波导(6)的左端相连，第四Y形波导（13)的左端、右上端、右 下端分别与第二Y形波导（11)的右端、第七直线波导(7)的左端、第九直线波导(9)的左端相 连，第一 Y形波导（10)的中心偏左下的位置设有第二空气孔(24)，第二Y形波导（11)的中心 偏左上的位置设有第一空气孔(23)，第三Y形波导（12)的中心设有第三空气孔(25)，第四Y 形波导（13)的中心设有第四空气孔(26)，第一 Y形波导（10)与第二直线波导（2)、第四直线 波导(4)的连接处分别设有第一空气孔组合（14)和第三空气孔组合（16)，第二Y形波导（11) 与第三直线波导(3)、第五直线波导(5)的连接处分别设有第二空气孔组合(15)和第四空气 孔组合(17)，第三Y形波导（12)与第六直线波导(6)、第八直线波导(8)的连接处设有第五空 气孔组合（18)和第七空气孔组合(20)，第四Y形波导（13)与第七直线波导（7)、第九直线波 导（9)的连接处设有第六空气孔组合（19)和第八空气孔组合(21)，第九空气孔组合(36)位 于多模干涉区域(22)的右侧中端。2. 根据权利要求1所述的一种多通道太赫兹波功分器，其特征在于所述的孔状镂空平 板(36)的材料为硅，当温度为25 °C时，折射率为3.45，当温度变为650 °C时，折射率为3.6。3. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的二维周期排列的空气孔光子晶体(35)的半径为24~25μπι，空气孔圆心之间的 距离为76~80μηι。4. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的第一空气孔组合（14)、第二空气孔组合（15)、第三空气孔组合（16)、第四空气 孔组合（17)、第五空气孔组合（18)、第六空气孔组合（19)、第七空气孔组合(20)和第八空气 孔组合(21)形状结构相同，空气孔组合中空气孔的半径均为24~25μπι，空气孔圆心之间的 距离为118~119μηι。5. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的第一空气孔(23)半径为15~16μηι，第一空气孔(23)以第二Y形波导（11)的中 心为原点向左上方移动了 23~24μπι。6. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的第二空气孔(24)半径为15~16μπι，第二空气孔(24)以第一Y形波导（10)的中 心为原点向左下方移动了 23~24μπι。7. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的第三空气孔(25)和第四空气孔(26)形状相同，半径均为15~16μπι，第三空气 孔(25)和第四空气孔(26)分别位于第三Y形波导（12)和第四Y形波导（13)的中心。8. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于所述的第九空气孔组合(36)的上端空气孔、下端空气孔、右端空气孔的半径均为24 ~25μηι，右端空气孔与上端空气孔、下端空气圆心之间的距离均为57~58μηι，左端空气孔的 半径为19~20μηι，左端空气孔与右端空气孔圆心之间的距离为54~55μηι。9. 根据权利要求1所述的一种基于镂空平板结构的可调多通道太赫兹波功分器，其特 征在于孔状镂空平板(37)上设有矩形的温度调节区域(34)，温度调节区域(34)的左端边界 穿过第一 Y形波导（10)和第二Y形波导（11)最右端上方的第一个空气孔的圆心，温度调节区 域(34)横向宽度为相邻两个空气孔圆心距的4倍。
【文档编号】G02B6/125GK105911643SQ201610481967
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】李九生, 莫国强, 孙建忠
【申请人】中国计量大学