周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器

摘要

本发明公开了一种周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器。它包括交错矩形结构金属传输层、基体、反射金属板、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端；交错矩形结构金属传输层与基体相连，基体与金属反射板相连，交错矩形结构金属传输层包括100×100个交错矩形金属单元，信号从信号输入端输入，依次经过交错矩形结构金属传输层和基体达到金属反射板，由金属反射板向两个方向反射，第一信号输出端输出TE波、第二信号输出端输出TM波。本发明具有结构简单紧凑、分束效率高、节约材料，制作方便等优点。满足了未来太赫兹波技术应用需要，对促进太赫兹波功能器件的研究具有不可或缺的重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波偏振分束器，尤其涉及一种周期性交错矩形结构的太 赫兹波偏振分束器。

背景技术

太赫兹技术是二十世纪80年代末发展起来的一种新技术。太赫兹频域是 指频率在0.1THz～10THz，太赫兹波独特的频率范围(位于微波频段和光频段 之间)覆盖了多数大分子物质的分子振动和转动光谱，因此多数大分子物质在 太赫兹频段无论其吸收谱、反射谱还是发射谱都具有明显的指纹谱特性，这一 点是微波所不具备的。此外，太赫兹波可以不同程度地穿透多数物质，这个特 点为红外辐射所不具备。这些特点决定了太赫兹技术存在的价值，日益发展的 太赫兹波技术在天文、生物医学、安全及环境监测、成像、宽带无线通信和雷 达等方面均具有重大的科学价值和广阔的应用前景，其中太赫兹波通信技术具 有毫米波通信及光通信的特性，可以应用于室内局域网通信等方面。

近年来国内外对于太赫兹波功能器件的研究已经逐渐展开，太赫兹波偏振 分束器是一种非常重要的太赫兹波器件，用于操控、控制太赫兹波系统中的太 赫兹波，目前国内外很多科研机构都致力于这方面的研究并取得了一定的进 展，但是太赫兹波偏振分束器作为太赫兹波功能器件研究中的重点和难点其现 有的研究成果和进展还十分有限，现有的太赫兹波偏振分束器往往结构复杂、 体积庞大、难以制作并且价格昂贵，因此有必要设计一种结构简单紧凑、体积 小、质量轻、分束效率高的太赫兹偏振分束器来满足未来太赫兹波技术应用需 要。太赫兹波偏振分束器研究对促进太赫兹波功能器件的研究具有不可或缺的 重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种周期性交错矩形结构的太 赫兹波偏振分束器。

周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器包括交错矩形结构金属传输 层、基体、反射金属板、信号输入端、第一信号输出端、第二信号输出端；基 体上、下表面分别与交错矩形结构金属传输层、金属反射板相连，信号从信号 输入端输入，依次经过交错矩形结构金属传输层和基体达到金属反射板，由金 属反射板向两个方向反射，第一信号输出端输出TE波、第二信号输出端输出 TM波；交错矩形结构金属传输层包括100×100个交错矩形金属单元，交错矩 形金属单元包括左上第一矩形贴片、左下第一矩形贴片、右上第一矩形贴片、 右下第一矩形贴片、左上第二矩形贴片、左下第二矩形贴片、左上第三矩形贴 片、左下第三矩形贴片、中上矩形贴片、中下矩形贴片、右上第二矩形贴片、 右下第二矩形贴片、右上第三矩形贴片、右下第三矩形贴片、左中第一矩形贴 片、右中第一矩形贴片、左中第二矩形贴片、左中第三矩形贴片、中心矩形贴 片、右中第二矩形贴片、右中第三矩形贴片；交错矩形结构金属传输层中心从 左到右顺次设有左中第一矩形贴片、左中第二矩形贴片、左中第三矩形贴片、 中心矩形贴片、右中第二矩形贴片、右中第三矩形贴片、第一矩形贴片，左中 第一矩形贴片上、下分别设有左上第一矩形贴片、左下第一矩形贴片，左中第 二矩形贴片上、下分别设有第二矩形贴片、左下第二矩形贴片，左中第三矩形 贴片上、下分别设有左上第三矩形贴片、左下第三矩形贴片，中心矩形贴片上、 下分别设有中上矩形贴片、中下矩形贴片，右中第二矩形贴片上、下分别设有 右上第二矩形贴片、右下第二矩形贴片，右中第三矩形贴片上、下分别设有右 上第三矩形贴片、右下第三矩形贴片，第一矩形贴片上、下分别设有右上第一 矩形贴片、右下第一矩形贴片。根据公式a为两个金属贴片 中心的间距，当已知相移波长λ时，便可求得反射角为θ。

所述的交错矩形金属单元的总长度为450μm～550μm，总宽度为150μm～ 200μm，某交错矩形金属单元与上相邻交错矩形金属单元通过左上第一矩形贴 片、左上第二矩形贴片、左上第三矩形贴片、中上矩形贴片、右上第二矩形贴 片、右上第三矩形贴片、右上第一矩形贴片共享紧密连接，某交错矩形金属单 元与下相邻交错矩形金属单元通过左下第一矩形贴片、左下第二矩形贴片、左 下第三矩形贴片、中下矩形贴片、右下第二矩形贴片、右下第三矩形贴片、右 下第一矩形贴片共享紧密连接，某交错矩形金属单元与左相邻交错矩形金属单 元通过第一矩形贴片、左中第一矩形贴片、左下第一矩形贴片共享紧密连接， 某交错矩形金属单元与右相邻交错矩形金属单元通过右上第一矩形贴片、第一 矩形贴片、右下第一矩形贴片共享紧密连接。所述的交错矩形结构金属传输层 的材料为金，厚度为0.2μm～1μm。所述的基体的材料为聚二甲基硅氧烷，厚 度为20μm～100μm。所述的反射金属板的材料为铂，厚度为1μm～5μm。所 述的左上第一矩形贴片、左下第一矩形贴片、右上第一矩形贴片和右下第一矩 形贴片的形状大小相同，纵向长度均为15μm～25μm，横向宽度均为10μm～ 20μm；所述的左上第二矩形贴片和左下第二矩形贴片的形状大小相同，横向 长度均为75μm～85μm，纵向宽度均为10μm～20μm；所述的左上第三矩形贴 片和左下第三矩形贴片的形状大小相同，纵向长度均为35μm～45μm，横向宽 度均为45μm～55μm；所述的中上矩形贴片和中下矩形贴片的形状大小相同， 横向长度均为75μm～85μm，纵向宽度均为20μm～30μm；所述的右上第二矩 形贴片和右下第二矩形贴片的形状大小相同，纵向长度均为45μm～55μm，横 向宽度均为25μm～35μm；所述的右上第三矩形贴片和右下第三矩形贴片的形 状大小相同，横向长度均为35μm～45μm，纵向宽度均为10μm～20μm。所述 的左中第一矩形贴片和右中第一矩形贴片的形状大小相同，横向长度均为 45μm～55μm，纵向宽度均为15μm～25μm。所述的左中第二矩形贴片的纵向 长度为75μm～85μm，横向宽度为25μm～35μm；所述的左中第三矩形贴片的 横向长度为75μm～85μm，纵向宽度为45μm～55μm；所述的中心矩形贴片的 纵向长度为65μm～75μm，横向宽度为35μm～45μm；所述的右中第二矩形贴 片的横向长度为55μm～65μm，纵向宽度为35μm～45μm；所述的右中第三矩 形贴片纵向长度为95μm～105μm，横向宽度为15μm～25μm。

本发明具有结构简单紧凑、分束效率高、节约材料，制作方便等优点。满 足了未来太赫兹波技术应用需要，对促进太赫兹波功能器件的研究具有不可或 缺的重要意义。

附图说明

图1是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的结构示意图；

图2是交错矩形结构金属传输层的结构示意图；

图3是交错矩形金属单元的结构示意图；

图4是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的测试示意图；

图5是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的TE波反射示意图；

图6是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的TM波反射示意图；

图7是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的第一信号输出端的输 出传输率图；

图8是周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的第二信号输出端的输 出传输率图。

具体实施方式

如图1～3所示，周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器包括交错矩 形结构金属传输层1、基体2、反射金属板3、信号输入端4、第一信号输出端 5、第二信号输出端6；基体2上、下表面分别与交错矩形结构金属传输层1、 金属反射板3相连，信号从信号输入端4输入，依次经过交错矩形结构金属传 输层1和基体2达到金属反射板3，由金属反射板3向两个方向反射，第一信 号输出端5输出TE波、第二信号输出端6输出TM波；太赫兹波信号由信号 输入端4的发射器发出，经过棱镜校准成平行波束，依次经过交错矩形结构金 属传输层1和基体2达到金属反射板3，由金属反射板3向两个方向反射，第 一信号输出端5的棱镜将波束收集并聚焦至接收器，得到TE波，第二信号输 出端6的棱镜将波束收集并聚焦至接收器，得到TM波。

交错矩形结构金属传输层1包括100×100个交错矩形金属单元7，交错矩形金 属单元7包括左上第一矩形贴片8、左下第一矩形贴片9、右上第一矩形贴片 10、右下第一矩形贴片11、左上第二矩形贴片12、左下第二矩形贴片13、左 上第三矩形贴片14、左下第三矩形贴片15、中上矩形贴片16、中下矩形贴片 17、右上第二矩形贴片18、右下第二矩形贴片19、右上第三矩形贴片20、右 下第三矩形贴片21、左中第一矩形贴片22、右中第一矩形贴片23、左中第二 矩形贴片24、左中第三矩形贴片25、中心矩形贴片26、右中第二矩形贴片27、 右中第三矩形贴片28；交错矩形结构金属传输层中心从左到右顺次设有左中第 一矩形贴片22、左中第二矩形贴片24、左中第三矩形贴片25、中心矩形贴片 26、右中第二矩形贴片27、右中第三矩形贴片28、第一矩形贴片23，左中第 一矩形贴片22上、下分别设有左上第一矩形贴片8、左下第一矩形贴片9，左 中第二矩形贴片24上、下分别设有第二矩形贴片12、左下第二矩形贴片13， 左中第三矩形贴片25上、下分别设有左上第三矩形贴片14、左下第三矩形贴 片15，中心矩形贴片26上、下分别设有中上矩形贴片16、中下矩形贴片17， 右中第二矩形贴片27上、下分别设有右上第二矩形贴片18、右下第二矩形贴 片19，右中第三矩形贴片28上、下分别设有右上第三矩形贴片20、右下第三 矩形贴片21，第一矩形贴片23上、下分别设有右上第一矩形贴片10、右下第 一矩形贴片11。根据公式a为两个金属贴片中心的间距，当 已知相移波长λ时，便可求得反射角为θ。

所述的交错矩形金属单元7的总长度为450μm～550μm，总宽度为 150μm～200μm，某交错矩形金属单元与上相邻交错矩形金属单元通过左上第 一矩形贴片8、左上第二矩形贴片12、左上第三矩形贴片14、中上矩形贴片 16、右上第二矩形贴片18、右上第三矩形贴片20和右上第一矩形贴片10或者 左下第一矩形贴片9、左下第二矩形贴片13、左下第三矩形贴片15、中下矩形 贴片17、右下第二矩形贴片19、右下第三矩形贴片21和右下第一矩形贴片11 共享紧密连接，某交错矩形金属单元与下相邻交错矩形金属单元通过左下第一 矩形贴片9、左下第二矩形贴片13、左下第三矩形贴片15、中下矩形贴片17、 右下第二矩形贴片19、右下第三矩形贴片21和右下第一矩形贴片11或者左上 第一矩形贴片8、左上第二矩形贴片12、左上第三矩形贴片14、中上矩形贴片 16、右上第二矩形贴片18、右上第三矩形贴片20和右上第一矩形贴片10共享 紧密连接，某交错矩形金属单元与左相邻交错矩形金属单元通过第一矩形贴片 8、左中第一矩形贴片22和左下第一矩形贴片9或者右上第一矩形贴片10、第 一矩形贴片23和右下第一矩形贴片11共享紧密连接，某交错矩形金属单元与 右相邻交错矩形金属单元通过右上第一矩形贴片10、第一矩形贴片23和右下 第一矩形贴片11或者第一矩形贴片8、左中第一矩形贴片22和左下第一矩形 贴片9共享紧密连接。所述的交错矩形结构金属传输层1的材料为金，厚度为 0.2μm～1μm。所述的基体2的材料为聚二甲基硅氧烷，厚度为20μm～100μm。 所述的反射金属板3的材料为铂，厚度为1μm～5μm。所述的左上第一矩形贴 片8、左下第一矩形贴片9、右上第一矩形贴片10和右下第一矩形贴片11的 形状大小相同，纵向长度均为15μm～25μm，横向宽度均为10μm～20μm；所 述的左上第二矩形贴片12和左下第二矩形贴片13的形状大小相同，横向长度 均为75μm～85μm，纵向宽度均为10μm～20μm；所述的左上第三矩形贴片14 和左下第三矩形贴片15的形状大小相同，纵向长度均为35μm～45μm，横向 宽度均为45μm～55μm；所述的中上矩形贴片16和中下矩形贴片17的形状大 小相同，横向长度均为75μm～85μm，纵向宽度均为20μm～30μm；所述的右 上第二矩形贴片18和右下第二矩形贴片19的形状大小相同，纵向长度均为 45μm～55μm，横向宽度均为25μm～35μm；所述的右上第三矩形贴片20和右 下第三矩形贴片21的形状大小相同，横向长度均为35μm～45μm，纵向宽度 均为10μm～20μm。所述的左中第一矩形贴片22和右中第一矩形贴片23的形 状大小相同，横向长度均为45μm～55μm，纵向宽度均为15μm～25μm。所述 的左中第二矩形贴片24的纵向长度为75μm～85μm，横向宽度为25μm～ 35μm；所述的左中第三矩形贴片25的横向长度为75μm～85μm，纵向宽度为 45μm～55μm；所述的中心矩形贴片26的纵向长度为65μm～75μm，横向宽度 为35μm～45μm；所述的右中第二矩形贴片27的横向长度为55μm～65μm， 纵向宽度为35μm～45μm；所述的右中第三矩形贴片28纵向长度为95μm～ 105μm，横向宽度为15μm～25μm。

实施例1

周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的交错矩形结构金属传输层 的材料为金，厚度为1μm。基体的材料为聚二甲基硅氧烷，厚度为20μm。反 射金属板的材料为铂，厚度为1μm。交错矩形金属单元的总长度为490μm，总 宽度为170μm，某交错矩形金属单元与上相邻交错矩形金属单元通过左上第一 矩形贴片、左上第二矩形贴片、左上第三矩形贴片、中上矩形贴片、右上第二 矩形贴片、右上第三矩形贴片、右上第一矩形贴片共享紧密连接，某交错矩形 金属单元与下相邻交错矩形金属单元通过左下第一矩形贴片、左下第二矩形贴 片、左下第三矩形贴片、中下矩形贴片、右下第二矩形贴片、右下第三矩形贴 片、右下第一矩形贴片共享紧密连接，某交错矩形金属单元与左相邻交错矩形 金属单元通过第一矩形贴片、左中第一矩形贴片、左下第一矩形贴片共享紧密 连接，某交错矩形金属单元与右相邻交错矩形金属单元通过右上第一矩形贴 片、第一矩形贴片、右下第一矩形贴片共享紧密连接。左上第一矩形贴片、左 下第一矩形贴片、右上第一矩形贴片和右下第一矩形贴片的形状大小相同，纵 向长度均为20μm，横向宽度均为15μm。左上第二矩形贴片和左下第二矩形贴 片的形状大小相同，横向长度均为80μm，纵向宽度均为15μm。左上第三矩形 贴片和左下第三矩形贴片的形状大小相同，纵向长度均为40μm，横向宽度均 为50μm。中上矩形贴片和中下矩形贴片的形状大小相同，横向长度均为80μm， 纵向宽度均为25μm。右上第二矩形贴片和右下第二矩形贴片的形状大小相同， 纵向长度均为50μm，横向宽度均为30μm。右上第三矩形贴片和右下第三矩形 贴片的形状大小相同，横向长度均为40μm，纵向宽度均为15μm。左中第一矩 形贴片和右中第一矩形贴片的形状大小相同，横向长度均为50μm，纵向宽度 均为20μm。左中第二矩形贴片的纵向长度为80μm，横向宽度为30μm；左中 第三矩形贴片的横向长度为80μm，纵向宽度为50μm。中心矩形贴片的纵向长 度为70μm，横向宽度为40μm。右中第二矩形贴片的横向长度为60μm，纵向 宽度为40μm。右中第三矩形贴片纵向长度为100μm，横向宽度为20μm。交错 矩形金属单元包含两组互相垂直的偶极子，每组包含6个金属单元，能够使入 射波向两个不同的方向反射。根据公式a为两个金属贴片中 心的间距，当相移为60°、波长为300μm时，反射角为30°。

周期性交错矩形结构的太赫兹波偏振分束器的第一信号输出端的输出传 输率图如图7所示，在1THz时，TE波传输率为0.8，TM波传输率为0.2；第 二信号输出端的输出传输率图如图8所示，在1THz时，TM波传输率为0.8， TE波传输率为0.2。