基于平面光波导及超材料的电磁波传感器

摘要

本发明涉及一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器，其包括吸波超材料、第一耦合器、第一平面光波导臂、第二平面光波导臂及第二耦合器；该吸波超材料吸收电磁波而改变自身的温度并将变化后的温度传导至第一平面光波导臂；该第一耦合器用以将光束分离为第一光束和第二光束；该第一平面光波导臂用于传导第一光束，第二平面光波导臂用于传导第二光束；当该吸波超材料温度发生变化使该第一平面光波导臂温度发生变化时，第一光束响应第一平面光波导臂的温度变化而变化相位；相位发生变化的该第一光束和该第二光束经所述第二耦合器产生干涉。本发明具有检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测电磁波的传感器，尤其涉及一种基于平面光波导及超材料的电磁波传 感器。

背景技术

电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动， 其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。按照频率分类，从低频率到 高频率，电磁波包括有无线电波、微波、太赫兹波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射 线等等。

电磁波传感器是获取电磁波辐射信息的器件，现有的电磁波传感器通常由四个基本部分组 成：收集器：负责收集目标辐射的电磁波能量，如天线，透镜组等；探测器：主要用于将收集到 的地磁波辐射能转变为化学能或电能，如光电管、光敏元件或热敏元件等；处理器：对转换后的 信号进行各种处理，如信号放大、变化或编码等；输出器：输出信息的装置，如扫描摄像仪，阴 极射线管等。然而，上述现有的电磁波传感器检测灵敏度低、体积大、结构复杂、不利于制作集 成及容易受电磁干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种基于平面光波导及 超材料的电磁波传感器，其检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种基于平面光波导及超材料的电磁波 传感器，其包括吸波超材料、第一耦合器、第一平面光波导臂、第二平面光波导臂及第二耦合器； 该吸波超材料吸收电磁波而改变自身的温度并将变化后的温度传导至第一平面光波导臂；该第一 耦合器用以将光束分离为第一光束和第二光束；该第一平面光波导臂用于传导第一光束，第二平 面光波导臂用于传导第二光束；当该吸波超材料温度发生变化使该第一平面光波导臂温度发生变 化时，第一光束响应第一平面光波导臂的温度变化而变化相位；相位发生变化的该第一光束和该 第二光束经所述第二耦合器产生干涉。

进一步地，该吸波超材料包括具有两相对侧表面的基材，该两相对侧表面至少一侧表面上 附着有多个人造微结构。

进一步地，该第一平面光波导臂和第二平面光波导臂为高分子材料光波导。

进一步地，该高分子材料可为聚酯树脂、聚碳酸酯树脂、聚氨基甲酸酯树脂或其聚合物。

进一步地，该基材两相对侧表面的一侧表面上附着有第一人造微结构，另一侧表面上附着 有与该第一人造微结构一一对应的第二人造微结构；该第一人造微结构包括相互垂直而连接成 “十”字形的两个第一金属分支，分别连接在该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第 二金属分支；该第二人造微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

进一步地，该人造微结构包括第一金属分支，该第一金属分支构成一边具有缺口的四边形 状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于该 第二金属分支另一端的第三金属分支。

进一步地，该基材为片状基材，该吸波超材料由附着有多个该人造微结构的该片状基材叠 加而成。

进一步地，该基材由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，多个该人造微结构为周期排列，并通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离 子刻附着于该基材两相对侧表面至少一侧表面上。

进一步地，该第一耦合器和第二耦合器为硅基二氧化硅平面光波导结构。

综上所述，本发明通过将吸波超材料与平面光波导结合起来，因而能及时地感测吸波超材 料将电磁波能量转化为热能所产生的温度变化，第二耦合器可精确地输出电磁波的功率变化信息， 其具有检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器原理框图；

图2为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器吸波超材料第一实施方式立体 结构示意图；

图3、图4分别为图2所示吸波超材料的第一人造微结构和第二人造微结构的拓扑结构示意 图；

图5为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器吸波超材料第二实施方式立体 结构示意图；

图6为图5所示吸波超材料人造微结构拓扑结构示意图；

图7为图6所示人造微结构分别响应电场和磁场的分解原理图；

图8为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器与激光器、探测器及数据处理 器配合时的结构示意图。

具体实施方式

吸波材料是指能够将入射的电磁波能量转换为热能或其它形式的能量而耗散掉的一种材 料。吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换并耗散掉， 该材料应具备两个特性即阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性是指从自由空间入射到吸波材 料表面的电磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要达到完美阻抗匹配特 性时应使得从自由空间入射的电磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即电磁波全部进入理想吸 波材料内部。由于自由空间阻抗Z＝1，根据公式可知，当该吸波材料的相对介电常数ε 和相对磁导率μ相等时即可达到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在损耗，所以相对介电 常数ε＝ε’-jε”，相对磁导率μ＝μ’-jμ”。衰减特性是指进入材料内部的电磁波产生损耗而被吸收的 现象，损耗大小可用电损耗因子tanδ_e＝ε”/ε’和磁损耗因子tanδ_m＝μ”/μ’来表征。

吸波材料吸收电磁波能量所产生的热能能改变材料自身的温度。吸波材料吸收电磁波时产 生的热能大小由电磁波的功率所决定，其与电磁波的频率无关。因此在根据所要吸收电磁波的频 率确定吸波材料整体的结构以后即能利用该吸波材料测定该电磁波的功率。

目前常用的传统吸波材料有铁氧体、导电高聚物材料、碳纤维材料、炭黑等。此类传统吸 波材料主要是利用不同物质的混合配比达到吸收一定频段电磁波的目的，此类传统吸波材料就需 要针对不同频率的电磁波进行配比和实验，需要耗费极大的时间和成本。

超材料是由具有一定图案形状的人造微结构按照特定方式周期排列于基材中而构成。人造 微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材 料具有不同的电磁响应。根据设计需要，超材料需要实现吸波功能。而改变人造微结构的图案和 排布方式也可改变吸波超材料所能吸收电磁波的频率。人造微结构的图案和排布方式所对应的电 磁波频率可由计算机仿真得到，省去了传统吸波材料为适应电磁波频率的改变而需要配比不同物 质的时间成本和人力成本，且超材料整体均采用常规材料制成、成本低廉。

下面结合附图详细描述两种具有良好吸波性能和电磁参数调节方便、成本低廉的吸波超材 料实施方式。

请参阅图1至图4，其中，图1为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器的原 理框图，其包括吸波超材料1、第一耦合器2、第一平面光波导臂3、第二平面光波导臂4及第二 耦合器5。所述吸波超材料1包括具有两相对侧表面的基材10与周期附着于基材10两相对侧表 面的第一人造微结构100和第二人造微结构200。所谓周期排列是指每一人造微结构所占据的基 材表面空间尺寸应为所需响应电磁波波长的五分之一至十分之一。图2仅示出吸波超材料的一片 层立体结构，整个吸波超材料由多个片层叠加而成。而采用此类方法构成吸波超材料可方便的调 节人造微结构拓扑图案和尺寸，降低工艺难度。在基材表面上附着人造微结构的制造工艺有多种， 例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等，其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设 计好合适的人造微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设 备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到周 期阵列排布的人造微结构。上述金属箔片的材质可以是铜、银等硬质金属。

当基材表面未附着人造微结构时，其对电磁场表现出具有初始相对介电常数ε1和初始相对 磁导率μl；当基材表面附着有人造微结构后，人造微结构会对入射电磁场产生响应从而使得基材 和人造微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造微结构尺寸的变化而变化， 即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造微结构尺寸的变化而变化。

本发明的基材采用对电磁波损耗大的各类常见材料，例如高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、 铁氧材料或铁磁材料等，其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。

图3和图4为图2所示吸波超材料基材两相对侧表面附着的不同的两种人造微结构拓扑图 案。基材一侧表面的第一人造微结构100包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支 101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基 材另一侧表面的第二人造微结构200包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有 缺口2011的四边形状。该两个人造微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一人造微结 构100的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造微结 构200由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。

当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波该超材料时，第一人造金属微结构100的第 二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式可知，其中ε为超材 料相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量， 超材料的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来 调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二人造金属微结构20的第三 金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响超材料的相对磁 导率μ。分别调节第一人造金属微结构100和第二人造金属微结构200的金属分支的尺寸和间隔 即可调节人造金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节超材料整体的相对介电常数ε和 相对磁导率μ。

当人造金属微结构的尺寸使得入射的太赫兹波通过超材料时，超材料的相对介电常数ε和相 对磁导率μ基本相等时即满足本发明阻抗匹配的设计要求。所谓基本相等是指相对介电常数ε和 相对磁导率μ只存在不影响阻抗匹配效果的误差。同时，为了达到优良的吸波性能还需要继续调 整人造金属微结构的尺寸使超材料对入射电磁波有最大的能量损耗。能量损耗主要是通过电损耗 因子tanδe和磁损耗因子tanδm来表征，不同的基材对应不同的主要损耗因子，例如铁电材料 主要为电损耗因子、铁磁材料主要为磁损耗因子，而铁氧材料则两者皆有。人造金属微结构对超 材料整体衰减特性的影响是通过改善基材的衰减特性即提高超材料整体的相对介电常数和/或相 对磁导率的虚部从而提高超材料整体的衰减特性。可以理解的，调整人造金属微结构的尺寸使超 材料满足相对介电常数ε和相对磁导率μ基本相等以及改善基材衰减特性的过程是交互的，并非 调整完一个条件以后再在原有基础上调整第二个条件。

图5为本发明一种基于平面光波导及超材料的电磁波传感器吸波超材料第二实施方式立体 结构示意图。图6为图5所示吸波超材料基材上附着的人造微结构拓扑图案。第二实施方式与第 一实施方式的不同点在于基材上附着的人造微结构不同。吸波超材料1包括基材10与周期附着于 基材10上的人造微结构300。人造微结构300包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成 一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出 缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。人造微结 构30附着于基材两相对侧表面其中之一表面上，优选地，为了取得更好的吸波效果在基材两相对 侧表面上均附着有人造微结构300且两相对侧表面的人造微结构成镜像对称，更优选地，每一侧 表面的人造微结构300以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。

本较佳实施例中人造金属微结构300相当于结合了第一较佳实施例中的第一人造金属微结 构100和第二人造金属微结构200，其对入射的太赫兹波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同， 即相对的金属分支等效为电容元件从而调整超材料的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电 流根据右手螺旋定则感生磁场，从而调整超材料的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现如图7 所示，人造金属微结构300拆分为呈“工”字形的第一部分300’以及呈一边缺口的四边形状的第 二部分300”，第一部分300’的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性元件，从而调整超材料的 相对介电常数，第二部分300”的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整超材料的相对磁导 率。同时，由于本较佳实施例对人造金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面人造金属微 结构即可满足设计要求。

请参阅图1及图8，所述第一耦合器2用以将外部光束分离为第一光束和第二光束；所述第 一平面光波导臂3和第二平面光波导臂4位于所述第一耦合器2及所述第二耦合器5之间，并分 别用以接收并传输该第一光束和该第二光束。为了使温度检测更为精确，可在吸波超材料1与所 述平面光波导臂之间设置一层导热性能好的导热层，在本实施例中，其为将第一平面光波导臂3 集成到吸波超材料1中；该第一耦合器2和第二耦合器5均为硅基二氧化硅平面光波导结构，因 而可实现具有传统光纤耦合器无法相比的小尺寸及高集成度，尺寸可小达传统光纤耦的十分之一， 此外，还具有均匀性好，PDL指标低的优点。

所述第一平面光波导臂3和第二平面光波导臂4可为铌酸锂镀钛光波导、硅基沉积二氧化 硅光波导、基于磷化铟(InP)的InGaAsP/InP光波导或聚合物(Polymer)光波导等，在本实施 例中，所述第一平面光波导臂3和第二平面光波导臂4均为高分子材料光波导，所述高分子材料 可为聚酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚氨基甲酸酯树脂，或其聚合物，因而热反应速率快，能精确、 及时地感测吸波超材料将电磁波能量转化为热能所产生的温度变化。

当需要检测太赫兹波等电磁波时，本发明可与激光器6、探测器7及数据处理器8配合，便 可对电磁波进行检测。由于激光的单色性好，亮度高，因此选用激光作为光源。通过激光器6发 出一束激光束，激光束经过第一耦合器2后分别送入长度相同的第一平面光波导臂3和第二平面 光波导臂4。当吸波超材料1吸收电磁波并散发热能使得第一平面光波导臂3的温度相对于第二 平面光波导臂4发生变化时，两条平面光波导臂中的激光束的相位差即发生变化，随后，第二耦 合器5接收相位已经发生变化了的两束激光束并产生干涉，使得两束激光束的相位变化转化为光 功率变化，并输出光功率变化信息。探测器7接收第二耦合器5发出的光功率变化信息并输出到 数据处理器8，由数据处理器8计算出最终电磁波功率。

与其它波段的电磁波相比，太赫兹波辐射源具有想干性好、光子能量低、穿透力强等独特 优异的特性，所以在物理、化学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、环境监测、食品检 查、卫星通信等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。因此，研究和开发 太赫兹器件无论对基础科学研究还是市场开发应用都有着十分重要的意义，本发明主要应用于检 测太赫兹波等电磁波上。

综上所述，本发明通过将吸波超材料1与平面光波导结合起来，因而能及时地感测吸波超 材料1将电磁波能量转化为热能所产生的温度变化，第二耦合器5可精确地输出电磁波的功率变 化信息，其具有检测灵敏度高、体积小、结构简单、利于制作集成及不受电磁干扰的优点。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属 于本发明的保护之内。