專利名稱：一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)及運(yùn)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)傳輸器件光柵波導(dǎo)，特別涉及一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)波是位于微波和遠(yuǎn)紅外線之間的電磁波。近年來(lái)，隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展，使得太赫茲脈沖的產(chǎn)生有了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，從此使得人們能夠研究太赫茲。太赫茲在生物醫(yī)學(xué)、安全監(jiān)測(cè)、無(wú)損傷探測(cè)、天文學(xué)、光譜與成像技術(shù)以及信息科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而太赫茲波段的開(kāi)發(fā)和利用離不開(kāi)太赫茲功能器件，太赫茲波導(dǎo)是太赫茲應(yīng)用的一種基本的功能器件，也是太赫茲無(wú)線通信領(lǐng)域的重要器件，其發(fā)展一直備受重視。2003年，德國(guó)學(xué)者A.Christ在“量子電子學(xué)和激光科學(xué)”(QELS)會(huì)議上報(bào)道了一維周期性金屬表面存在可以傳導(dǎo)的表面等離子激元(SPP)。從而從理論上指出利用金屬光柵制作波導(dǎo)的可行性。(Soc.Am.QELS, I, 2003)。2011年，浙江大學(xué)Y.G.Ma等人，率先通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)方法制備出基于金屬光柵分路器和耦合器(Opt.Exp.19 (22)，21189，2011)。2012年，東南大學(xué)沈曉鵬等，在吉赫茲波段實(shí)現(xiàn)了可彎曲式金屬光柵波導(dǎo)(Proceedings of the National Academy of USA, 110, (I)，40-45，2013)。多個(gè)通道的波導(dǎo)比起只有一個(gè)通道的波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，更易于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用(WDM)。隨著太赫茲頻段的通訊技術(shù)越來(lái)越趨于成熟，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，太赫茲波段的通訊會(huì)有迅猛地發(fā)展。而多個(gè)傳輸通道對(duì)于電磁波通訊來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于開(kāi)通了多個(gè)通訊信道。由于光源的頻率調(diào)節(jié)能力有限，所以幾個(gè)密集、對(duì)稱、等間距的傳輸通道能夠極大地提高通信系統(tǒng)的性能。但是，以上 所引的文章中描述的波導(dǎo)，都只還有一個(gè)傳輸通道，無(wú)法產(chǎn)生多個(gè)傳輸通道，使得其在電磁波通訊領(lǐng)域的應(yīng)用因而受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有的光柵波導(dǎo)只有一個(gè)通道的問(wèn)題，提出了一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)及運(yùn)用方法，其構(gòu)成僅僅需要一種金屬材料，并且使用機(jī)械加工或刻蝕的方法，就能太赫茲范圍內(nèi)可以產(chǎn)生多個(gè)傳輸通道，從而實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。此外通過(guò)改變金屬光柵波導(dǎo)的尺寸參數(shù)，就能定制特殊頻率的傳輸通道，拓展了金屬光柵波導(dǎo)在電磁波通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，包括長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數(shù)個(gè)高矮金屬柱對(duì)，每對(duì)高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對(duì)下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。
所述高矮金屬柱間距為10 300 μ m，高矮金屬柱寬為10 300 μ m，高矮金屬柱厚為0.1 5 mm,高柱高度為10 500 μ m,矮柱高度為O 500 μ m ,小于高柱高度。
所述高矮金屬柱對(duì)對(duì)數(shù)在5-300。所述長(zhǎng)方體金屬塊材質(zhì)為鋁、銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。所述高矮金屬柱對(duì)加工方法為:機(jī)械加工、化學(xué)刻蝕、光學(xué)刻蝕及其任意組合。一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)運(yùn)用方法，包括復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，將復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)放在水平位移臺(tái)和垂直位移臺(tái)上，使高矮柱對(duì)按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導(dǎo)的兩端，兩個(gè)位移臺(tái)經(jīng)樣品架4固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，打開(kāi)太赫茲時(shí)域光譜(TDS)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放入到TDS系統(tǒng)中合適的位置，先調(diào)節(jié)水平和豎直位移臺(tái)，調(diào)節(jié)光斑位置，使之照射到金屬光柵波導(dǎo)的中心位置，得到透射電磁波的數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)及運(yùn)用方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在低階電磁波模式下，太赫茲波在金屬光柵波導(dǎo)表面稱合成表面等離子激(SPP),經(jīng)過(guò)金屬光柵波導(dǎo)幾何尺寸的選擇,在金屬光柵波導(dǎo)的末端重新稱合成電磁波。最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)密集、對(duì)稱、等間距、穩(wěn)定的傳輸通道。拓展了金屬光柵波導(dǎo)在電磁波通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)主視 圖2為本發(fā)明復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)左視 圖3為本發(fā)明復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)裝置 圖4為本發(fā)明復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)實(shí)例的傳輸色散效果圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所述復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)主視和左視圖，一個(gè)長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊上面包含復(fù)數(shù)個(gè)高矮金屬柱對(duì)，高矮金屬柱對(duì)依次排列，每對(duì)高矮金屬柱對(duì)的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同。高矮金屬柱對(duì)下端的金屬塊高度A:任意范圍，金屬塊厚度7:任意范圍，但不能小于d,
柱間距t:10 300 Um,柱寬#:10 300 u m,柱厚￠/:0.1 5 mm,高柱高h(yuǎn)':10 500 Pm，矮柱高A2:0 500 Pm但不超過(guò)么。器件的工作溫度是室溫，周圍的氣體氛圍為干燥的空氣。在本實(shí)例中幾何尺寸分別為:高矮金屬柱對(duì)下端的金屬塊高度A:20 mm，金屬塊厚度7:5mm,柱間距t:60 iim,柱寬#:65 y m,柱厚￠/:0.5 mm,高柱高A1: 300 iim,矮柱高A2:150 Pm，同時(shí)高矮柱對(duì)的個(gè)數(shù)為100。先尋找合適的金屬塊毛坯，金屬材質(zhì)為鋁、銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。長(zhǎng)厚高分別不得小于25 mm, 5 mm, 22 _。使用機(jī)械加工、化學(xué)刻蝕、光學(xué)刻蝕及其任意組合，在金屬塊的表面加工出如上尺寸的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。金屬光柵波導(dǎo)的數(shù)個(gè)高矮金屬柱對(duì)幾何尺寸全同且依次排列在金屬塊的表面。柱對(duì)的數(shù)量稱之為金屬光柵波導(dǎo)的周期數(shù)。當(dāng)周期數(shù)過(guò)小時(shí)，金屬光柵波導(dǎo)的周期性也較小。由于金屬光柵波導(dǎo)周期性不明顯，金屬光柵波導(dǎo)對(duì)特定頻率SPP傳播的選擇性也較小，因此無(wú)法形成強(qiáng)烈的模式選擇，形成的傳輸通道質(zhì)量也較差。與之相反，當(dāng)周期數(shù)過(guò)大時(shí)，過(guò)大的周期數(shù)是金屬光柵波導(dǎo)的長(zhǎng)度顯著變長(zhǎng)，由于SPP在金屬與空氣表面是以迅衰場(chǎng)的方式傳輸?shù)模词故悄軌蚍€(wěn)定傳輸?shù)奶囟Ｊ狡鋼p耗也非常大，從而影響各個(gè)傳輸通道的的透射率。此，必須同時(shí)考慮品質(zhì)因素和透射率，選取合適的周期數(shù)。一般周期數(shù)設(shè)置在在5-300，在本實(shí)施例中，周期數(shù)為100。圖3為本發(fā)明的一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。金屬光柵波導(dǎo)在水平位移臺(tái)2和垂直位移臺(tái)3上，使高矮柱對(duì)按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導(dǎo)的兩端。兩個(gè)位移臺(tái)經(jīng)樣品架4固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。打開(kāi)太赫茲時(shí)域光譜(TDS)系統(tǒng),加工好的金屬光柵波導(dǎo)放入到TDS系統(tǒng)中合適的位置，先調(diào)節(jié)水平和豎直位移臺(tái)，調(diào)節(jié)光斑位置，使之照射到金屬光柵波導(dǎo)的中心位置。就能夠得到透射電磁波的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理能夠得到所加工的金屬光柵波導(dǎo)的傳輸色散關(guān)系(圖4)。圖4為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的傳輸色散效果圖。前3階模式的傳輸色散效果圖，從圖中可以看到，頻率在O 426.78 GHz內(nèi)的電磁波在金屬光柵波導(dǎo)表面都能得到耦合，但能夠穩(wěn)定傳輸?shù)哪Ｊ街挥?個(gè)(不考慮高階模式)。當(dāng)傳輸達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)(對(duì)應(yīng)波矢為正無(wú)窮，形成駐波)，3個(gè)模式對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為:225.3,327.5和429.7 GHz，證明本實(shí)例實(shí)現(xiàn)多個(gè)密集、對(duì)稱、等間距的傳輸通道。 除I階模外，其他模式都有頻率下限，2階模和3階模分別為:182.2和334.9 GHz，使其能夠在實(shí)驗(yàn)中得到區(qū)分檢驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，包括長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數(shù)個(gè)高矮金屬柱對(duì),每對(duì)高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對(duì)下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，所述高矮金屬柱間距為10 300 Pm，高矮金屬柱寬為10 300 U m，高矮金屬柱厚為0.1 5_，高柱高度為10 500 U m,矮柱高度為0 500 V- m ,小于高柱高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，所述高矮金屬柱對(duì)對(duì)數(shù)在5-300。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，所述長(zhǎng)方體金屬塊材質(zhì)為鋁、 銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，所述高矮金屬柱對(duì)加工方法為:機(jī)械加工、化學(xué)刻蝕、光學(xué)刻蝕及其任意組合。
6.一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)運(yùn)用方法，包括復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)，其特征在于，將復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)放在水平位移臺(tái)和垂直位移臺(tái)上，使高矮柱對(duì)按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導(dǎo)的兩端，兩個(gè)位移臺(tái)經(jīng)樣品架4固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，打開(kāi)太赫茲時(shí)域光譜(TDS)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放入到TDS系統(tǒng)中合適的位置，先調(diào)節(jié)水平和豎直位移臺(tái)，調(diào)節(jié)光斑位置，使之照射到金屬光柵波導(dǎo)的中心位置，得到透射電磁波的數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導(dǎo)及運(yùn)用方法，包括長(zhǎng)方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數(shù)個(gè)高矮金屬柱對(duì)，每對(duì)高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對(duì)下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。將其放入水平和豎直位移臺(tái)，置于TDS系統(tǒng)中合適的位置，打開(kāi)太赫茲時(shí)域光譜(TDS)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水平和豎直位移臺(tái)，調(diào)節(jié)光斑位置，使之照射到金屬光柵波導(dǎo)的中心位置，得到透射電磁波的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在低階電磁波模式下，太赫茲波在金屬光柵波導(dǎo)表面耦合成表面等離子激(SPP)，經(jīng)過(guò)設(shè)定幾何尺寸的金屬光柵波導(dǎo)，重新耦合成電磁波。實(shí)現(xiàn)多個(gè)密集、對(duì)稱、等間距、穩(wěn)定的傳輸通道。
文檔編號(hào)G02B6/12GK103217739SQ201310139468
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者陳麟, 朱亦鳴, 徐嘉明, 臧小飛, 彭滟, 蔡斌, 徐公杰 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)