基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型是一種四端口太赫茲波環(huán)形器，采用磁等離子激元的單向腔來實現(xiàn)， 涉及太赫茲波通信與光信息處理的技術領域。
【背景技術】
[0002] 太赫茲波是位于毫米波與紅外線之間，頻譜范圍為0.1 THz~ΙΟΤΗζ的電磁波。 由于其位于電子學與光子學之間的特殊區(qū)域，太赫茲波在成像技術、物性鑒定、無線通訊等 領域具有全新而廣闊的應用。隨著通信領域的迅猛發(fā)展，低頻電磁波資源已經(jīng)耗盡，高頻的 太赫茲波技術成為實現(xiàn)高速率、超帶寬、高集成的通信器件的必然選擇。
[0003] 環(huán)行器是實現(xiàn)電磁波非互易傳輸?shù)钠骷?，是對反向傳輸電磁波進行引導，將其與 正向傳輸電磁波從空間上分離開來，并從另一端口輸出的器件。這一特性對于隔離反向電 磁波和實現(xiàn)接收和發(fā)射的雙工工作，具有重要意義。
[0004] 在太赫波的實際應用中，為保護太赫茲波源不受反射波的損害，有必要隔離反射 的電磁波。同時，為了實現(xiàn)太赫茲波信號的接受及發(fā)射的雙工工作，也有必要使用環(huán)行器。 然而太赫茲波的環(huán)行器還沒有解決方案，因此需要一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、功能優(yōu)良的太 赫茲波環(huán)行器來滿足未來太赫茲波通信技術應用的需要。
[0005] -種可行的解決方案是利用太赫茲波段磁等離子激元的單向性。在太赫茲波段， 當我們對半導體施加一定強度和方向的磁場時，磁等離子激元存在于半導體表面。在一定 頻率范圍內(nèi)，這種磁等離子激元的傳播方向是單向的。這種單向性使得它適合于實現(xiàn)包括 環(huán)行器在內(nèi)的非互易器件。
[0006] 專利CN 102244334 B公開了基于超聲光柵移頻和循環(huán)移頻的寬帶調(diào)諧太赫茲波 發(fā)生器"其包括激光器、環(huán)行器、光束分離器、基于超聲光柵移頻的循環(huán)移頻環(huán)節(jié)、光束合成 器、光隔離器及帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器，所述激光器輸出的光經(jīng)過環(huán)行器后被光 束分離器分為第一路和第二路，第一路為參考光，第二路輸入到所述循環(huán)移頻環(huán)節(jié)后產(chǎn)生 循環(huán)移頻光，光束合成器中將所述參考光和循環(huán)移頻光疊加后產(chǎn)生太赫茲頻率范圍內(nèi)的拍 頻光，所述拍頻光經(jīng)光隔離器后再經(jīng)帶太赫茲輻射天線的光電轉(zhuǎn)換器接收并輻射出相干太 赫茲波。
[0007] 上述實用新型的實用新型目的是實現(xiàn)
[0008] 激光器輸出的光經(jīng)過環(huán)形器還需要經(jīng)過光束分離器進行分離并且在環(huán)形器的其 中一個端口連接吸收負載吸收反射光，其結(jié)構(gòu)比較復雜、成本高，并且吸收和分離的效果剩 余的干擾比較大。 【實用新型內(nèi)容】
[0009] 1、本實用新型的目的。
[0010] 本實用新型為了解決現(xiàn)有技術中存在的結(jié)構(gòu)復雜，成本較高的問題，而提供了一 種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器。
[0011] 2、本實用新型所采用的技術方案。
[0012] 基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，包括一個圓形腔（1)、第一波 導（2)、第二波導（3)，第一波導（2)和第二波導（3)平行，圓形腔（1)位于第一波導（2)和第 二波導（3)之間，第一波導（2)的端口為P1、P2,第二波導（3)的端口為P3、P4 ;外加磁場垂 直于圓形腔（1)的表面，通過改變外加磁場的方向改變圓形腔（1)中的磁等離子激元單向 環(huán)行傳播的方向，從第一波導（2)和第二波導（3)的各端口傳輸進來的太赫茲波的方向與 圓形腔（1)的磁等離子激元的親合情況決定太赫茲波的輸出端口。
[0013] 所述的圓形腔（1)為半導體材料。
[0014] 所述的圓形腔（1)為平面結(jié)構(gòu)。
[0015] 所述第一波導（2)和第二波導（3)為金屬波導或者介質(zhì)波導，支持太赫茲波在其 中傳播。
[0016] 3、本實用新型的有益效果。
[0017] 本實用新型的環(huán)行器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸在工作波長量級，十分緊湊。此環(huán)形器性能優(yōu) 良，隔離效果在20dB以上，可隔離反射波，保護太赫茲波源，實現(xiàn)太赫茲波信號的接受及發(fā) 射的雙工工作，滿足未來太赫茲波通信技術應用的需要。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本實用新型基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0019] 圖2是本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由左上端口輸入時的磁場 強度分布圖。
[0020] 圖3是本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由右上端口輸入時的磁場 強度
[0021] 圖4是本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由右下端口輸入時的磁場 強度
[0022] 圖5是本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 812THZ由左下端口輸入時的磁場 強度
[0023] 圖6是本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 8 THz至1. 82THz頻段的S參數(shù)。
【具體實施方式】
[0024] 為了使專利局的審查員尤其是公眾能夠更加清楚地理解本實用新型的技術實質(zhì) 和有益效果，申請人將在下面以實施例的方式作詳細說明，但是對實施例的描述均不是對 本實用新型方案的限制，任何依據(jù)本實用新型構(gòu)思所作出的僅僅為形式上的而非實質(zhì)性的 等效變換都應視為本實用新型的技術方案范疇。 實施例
[0025] 如圖1所示，本實用新型是基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)形器， 包括一個圓形腔1和兩條波導2、3,兩條波導2、3平行設置，圓形腔1設置在波導2、3之間。
[0026] 圖1所不的圓形腔1為半導體材料，可以是InSb、、GaAs、InAs及η摻雜或p摻雜 的Si。圓形腔1為平面結(jié)構(gòu)，其直徑在工作波長量級，可以利用標準光刻技術或者激光直寫 技術，在所述半導體材料上加工而成。
[0027] 在太赫茲波段，在外加磁場下，所述半導體材料的相對介電張量#滿足下式描述
[0029] 其中·是高頻介電常數(shù)，Μ是電磁波的角頻率，:1?:是半導體的等離子頻率，
是回旋頻率。e是電子電量，nf是等效質(zhì)量，B是外加磁場強度。
[0030] 具體對于半導體材料InSb，在300卡爾文下，
THz ;在Β=0· 1 特斯拉下，
在A 1. 8 THz至1. 82ΤΗζ，所述InSb材料制作的圓形腔1支 持單向磁等離子激元。
[0031] 當外加磁場的方向垂直于圓形腔1的表面，所述磁等離子激元沿所述圓形腔1的 圓周做單向環(huán)行傳播。通過改變外加磁場的方向，磁等離子激元的環(huán)行方向在順時針和逆 時針方向之間切換。
[0032] 圖1所示的波導2、3為金屬波導或者介質(zhì)波導，支持太赫茲波在其中傳播。波導 2的兩個終端構(gòu)兩個端口 P1、P2 ;波導3的兩個終端構(gòu)成兩個端口 P3、P4。
[0033] 圖5所示為本實用新型四端口太赫茲波環(huán)行器在各個端口輸入時的磁場強度，可 清楚的展現(xiàn)其工作原理。具體來說，圓形腔為半徑為250um的InSb材料；外加磁場垂直紙 面向內(nèi)，強度為〇. 1特斯拉；工作頻率1. 812THZ ;單向磁等離子激元沿圓形腔的圓周做逆時 針傳播。由PI、P2、P3、P4端口輸入的太赫茲波，其傳播情況分別展示在圖2的（a) (b) (c) (d)〇
[0034] 如圖1所示，由P1輸入的太赫茲波，由于與單向磁等離子激元波矢方向相反，不能 發(fā)生耦合，直接傳播到P2輸出。如圖2所示，由P2輸入的太赫茲波，由于與單向磁等離子 激元波矢匹配，可以發(fā)生耦合；磁等離子激元逆時針傳播，與另一條波導耦合，太赫茲波在 P3 口輸出。同理，由P3 口輸入的太赫茲波，在P4 口輸出，如圖3所示；由P4 口輸入的太赫 茲波，在P1 口輸出，如圖4所示。綜上，在本實用新型所述四端口太赫茲波環(huán)行器中，任意 波導端口輸入的太赫茲波沿順時針到相鄰的波導端口輸出。
[0035] 圖6所示為本實用新型所述四端口太赫茲波環(huán)行器在1. 8 THz至1. 82THz頻段 的S參數(shù)。實線為傳輸系數(shù)S21，虛線為隔離系數(shù)S12。傳輸系數(shù)接近OdB，表明傳輸損耗 很小。隔離系數(shù)有三個極小值，對應于圓行腔的三個諧振模式，其頻率分布為1.804THZ， 1. 812THz，1. 818THz。在此諧振頻率，隔離系數(shù)小于-20dB，表明本實用新型具有出色的隔離 效果。
【主權項】
1. 一種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征在于：包括一個圓 形腔（1)、第一波導（2)、第二波導（3)，第一波導（2)和第二波導（3)平行，圓形腔（1)位于 第一波導（2)和第二波導（3)之間，第一波導（2)的端口為Pl、P2,第二波導（3)的端口為 P3、P4 ;外加磁場垂直于圓形腔（1)的表面，通過改變外加磁場的方向改變圓形腔（1)中的 磁等離子激元單向環(huán)行傳播的方向，從第一波導（2)和第二波導（3)的各端口傳輸進來的 太赫茲波的方向與圓形腔（1)的磁等離子激元的親合情況決定太赫茲波的輸出端口。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：圓形腔（1)為半導體材料。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：圓形腔（1)為平面結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，其特征 在于：所述第一波導（2)和第二波導（3)為金屬波導或者介質(zhì)波導，支持太赫茲波在其中傳 播。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于磁等離子激元單向腔的四端口太赫茲波環(huán)行器，它包括一個圓形腔和兩條波導。圓形腔為半導體材料，位于兩條波導之間。兩條波導為金屬或介質(zhì)波導，其終端構(gòu)成四個端口。在外加垂直磁場作用下，磁等離子激元沿圓形腔的圓周做單向環(huán)行。利用這種單向性，任意波導端口輸入的太赫茲波沿順時針或逆時針到相鄰的波導端口輸出，構(gòu)成環(huán)行器。此環(huán)行器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、功能優(yōu)良，可隔離反射波，保護太赫茲波源，實現(xiàn)太赫茲波信號的接受及發(fā)射的雙工工作，滿足未來太赫茲波通信技術應用的需要。
【IPC分類】H01P1/38
【公開號】CN205069827
【申請?zhí)枴緾N201520557273
【發(fā)明人】劉珂鑫, 何賽靈
【申請人】常熟浙瑞亙光電技術有限公司
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年7月29日