一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器

摘要

本发明属于波导型太赫兹功能器件技术领域，具体涉及的是一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器。一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器，由两个结构参数不同的周期圆柱状中空波导，波导a和波导b连接而成，所述圆柱状中空波导在太赫兹频段具有布拉格和非布拉格禁带，禁带位置交错出现。本发明结构简单、体积小、操作简便且成本低廉；无方向要求，反射器双向可用，且反射频带和反射率没有较大变化；宽反射频带0.76‑1.46THz,最高反射率能达到99.9％；可以通过调节两个周期结构波导的结构参数来控制改变反射频带和反射率；反射器为完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题。

说明书

技术领域

本发明属于波导型太赫兹功能器件技术领域，具体涉及的是一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器。

背景技术

由于太赫兹波具有瞬态性、相干性、宽谱带、低光子能量等优点，所以在物质识别、信息通信、成像、医学诊断、空间探测、安全检查、空间天文学乃至军事等领域都有着广泛的应用。但在太赫兹系统的实际应用时则依赖于太赫兹功能器件，与之相关的太赫兹功能器件有传导、分束、滤波等器件。尤其是在太赫兹时域光谱系统和太赫兹通信系统中迫切需要损耗小、成本低、结构简单和宽带的太赫兹反射器。

目前，太赫兹反射器主要是基于镜面反射、一维光子晶体、反射光栅、氧化物薄膜等结构，且已经取得了许多研究成果。2008年，张戎等人在《物理学报》发表文章《太赫兹无线通信系统中的反射器研究》，利用聚偏氟乙烯/聚碳酸酯一维光子晶体在亚太赫兹波段具有较高的反射率、较宽的反射带宽和全方位反射等优点，得到了95％以上区域反射率；2013年，Wei-En Lai和Yao-Hua Zhu等人在Optical Materials发表了论文“A novel reflector of AZO thinfilms applicable for terahertz devices”，指出掺杂铝的氧化锌薄膜反射器在太赫兹波段具有较高的反射率；2014年，Wei-En Lai等人在International Symposium on Optoelectronic Technologyand Application 2014:Infrared Technology and Applications会议上的发表了“A tunable reflectorbased on VO₂thin>

本发明提供了一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器，由于波导反射器是完全的金属闭合中空结构，所以避免了电磁辐射和介质损耗，且加工工艺简单，尤其在其反射性能上同时具有宽反射频带和高反射率等特点，对太赫兹波技术的未来发展起到了重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器。

本发明的目的是这样实现的：

一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器，由两个结构参数不同的周期圆柱状中空波导，波导a和波导b连接而成，所述圆柱状中空波导在太赫兹频段具有布拉格和非布拉格禁带，禁带位置交错出现。

这两个周期波导的结构参数是由色散曲线得到的：

$r_0=\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{{\left(\frac{f_r^{\left(m\right)}2\pi }{c}\right)}^2-{(\beta +\frac{2n\pi }{\Lambda })}^2}}$

其中，代表透射谱的中心频率，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r₀是周期结构波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构的周期长度，每个波导的半径r_n＝r_n0±ε_n，其中n＝a或b；r_a1＝r_a0-ε_a称为短半径，r_a2＝r_a0+ε_a称为长半径；ε为周期波导壁的起伏高度，长半径与短半径部分的长度相同为Λ/2。

波导a的周期波导壁的起伏高度ε_a＝0.1r_a0＝19.27μm，r_a0为波导a的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_a1＝173.43μm和r_a2＝211.97μm，周期长度为Λ_a＝171.82μm，周期个数为N_a＝10；波导b的周期波导壁的起伏高度ε_b＝0.1r_b0＝22.16μm，r_b0为波导b的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_b1＝199.44μm和r_b2＝243.76μm，周期长度为Λ_b＝197.6μm，周期个数为N_b＝10。

所述两种周期结构波导的管壁用的材料为低损耗金属，金、铝或银。复合波导结构为中空波导，其填充物为空气。

所述的宽带太赫兹反射器是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上加工所述矩形周期起伏结构；成型之后利用X-LIGA工艺在上述结构的表面涂覆一层金属层，厚度为微米量级，再将聚合物腐蚀掉，最后获得金属管壁波导。

本发明的有益效果在于：

结构简单、体积小、操作简便且成本低廉；无方向要求，反射器双向可用，且反射频带和反射率没有较大变化；宽反射频带0.76-1.46THz,最高反射率能达到99.9％；可以通过调节两个周期结构波导的结构参数来控制改变反射频带和反射率；反射器为完全的金属闭合结构，避免了电磁辐射和介质损耗，不需要考虑封装问题。

附图说明

图1为本发明一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器的结构参数和剖面图；

图2为本发明一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供了一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器。它由两段具有周期结构的圆柱状中空波导组合而成(波导a和波导b,波导a的周期波导壁的起伏高度ε_a＝0.1r_a0(r_a0为波导a的平均半径),因此短半径和长半径分别是r_a1和r_a2，周期长度为Λ_a,周期个数为N_a；波导b的周期波导壁的起伏高度ε_b＝0.1r_b0(r_b0为波导b的平均半径),因此短半径和长半径分别是r_b1和r_b2,周期长度为Λ_b，周期个数为N_b)，其波导管壁材料为低损耗金属。两个波导的结构参数分别由周期变截面波导的布拉格共振和非布拉格共振条件给出。本发明具有结构简单、体积小、成本低、禁带宽、反射率高等优点，因此在军事、医学、天体物理等领域有着广泛的应用前景。通过调整结构参数(ε、β和Λ)的大小，使得波导a的布拉格共振以及非布拉格禁带和波导b的布拉格禁带和非布拉禁带得到合并，即消除通带，使禁带变宽。当太赫兹波辐射到波导上时，在禁带范围内无法通过波导，就可以达到很高的反射效率。并且禁带宽度与中心频率的比值几乎能达到100％。

本发明提供一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器，它是由两段周期结构圆柱状中空金属波导(波导a和波导b)复合连接而成，其半径函数为r_a/b＝r_a0/b0±ε_a/b，周期为Λ与输入波的频率、平均半径等有关。波导a和波导b的结构参数都是由不同横模间的共振条件给出的。波导a的周期波导壁的起伏高度ε_a＝0.1r_a0＝19.27μm，r_a0为波导a的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_a1＝173.43μm和r_a2＝211.97μm，周期长度为Λ_a＝171.82μm，周期个数为N_a＝10；波导b的周期波导壁的起伏高度ε_b＝0.1r_b0＝22.16μm，r_b0为波导b的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_b1＝199.44μm和r_b2＝243.76μm，周期长度为Λ_b＝197.6μm，周期个数为N_b＝10。两个周期结构波导的平均半径、周期个数和周期大小是可变的。

所述复合波导管壁材料为低损耗金属，比如金、银或铝。复合波导结构为中空波导，填充物为空气。其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上加工所述矩形周期起伏结构；成型之后利用X-LIGA工艺在上述结构的表面涂覆一层金属层(厚度为微米量级即可)，再将聚合物腐蚀掉，最后获得金属管壁波导。

在周期结构的波导中由于周期结构的存在，横向模式之间会发生共振而产生频率禁带，使得某些频率范围的电磁波无法透过周期结构。相同横向模式之间的布拉格共振产生的禁带成为布拉格禁带，而不同横向模式间的共振将导致非布拉格共振将产生非布拉格禁带，且在布拉格禁带和非布拉格禁带之间存在一条通带，这里通过对不同结构的周期波导进行复合，使得两个波导的布拉格禁带和非布拉格禁带进行耦合，消除通带，从而获得一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器。

基于两个周期结构波导的结构参数是由色散曲线给出的，其表达式如下：

$f_r^{\left(m\right)}=\frac{c}{2\pi }\sqrt{\frac{k_r^{{\left(m\right)}^2}}{{r_0}^2}+{(\beta +\frac{2n\pi }{\Lambda })}^2}$

其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r₀是周期结构波导的平均半径，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长度。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振产生的频率禁带，被称为布拉格共振，这里的波导a是由相同横模间的共振条件(m＝1，n＝0和m＝1，n＝1)给出的。当m不同时是由不同的横向模式之间发生的共振产生的频率禁带，被称为非布拉格共振，这里的波导b是由不同横模间的共振条件(m＝1，n＝1和m＝2，n＝0)给出的。在设计两个周期结构波导时，设定在工作频带附近分别出现布拉格共振和非布拉格共振频率禁带，由于它们的结构尺寸不同，两个不同特性的禁带连接后，两个周期结构波导的布拉格禁带和非布拉格禁带会发生耦合从而形成一个高性能的周期结构的复合波导型宽带太赫兹反射器。根据上述布拉格和非布拉格的耦合原理，我们设计了两波导的结构参数，从而获得了高反射率、禁带宽度宽的波导型太赫兹反射器。当改变两波导的结构参数(包括周期个数、周期大小和平均半径)时，耦合特性会发生变化，可实现对反射系数和反射频带的改变。

如图1所示为本发明中所述一种复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器的结构剖面图，周期结构波导中起伏分别占每个周期的一半，两个波导直接相连。波导a的周期波导壁的起伏高度ε_a＝0.1r_a0＝19.27μm，r_a0为波导a的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_a1＝173.43μm和r_a2＝211.97μm，周期长度为Λ_a＝171.82μm，周期个数为N_a＝10；波导b的周期波导壁的起伏高度ε_b＝0.1r_b0＝22.16μm，r_b0为波导b的平均半径，因此短半径和长半径分别是r_b1＝199.44μm和r_b2＝243.76μm，周期长度为Λ_b＝197.6μm，周期个数为N_b＝10。

如图2所示为反射器的于反射频段的反射曲线，可以看出反射频段为0.75-1.46THz,且反射率大于99.9％。

这里所涉及的复合波导的周期个数、尺寸和入射端的选择都是可以调节的，通过调节这些结构参数，会使本复合周期波导结构的宽带太赫兹反射器的性能发生改变。

以上所述的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、尺寸等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应该排除在本发明的保护范围内。