一种复合波导结构机械式THz光开关的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别涉及一种复合波导结构机械式THz光开关。一种复合波导结构机械式THz光开光，包括两种不同的周期结构中空圆柱状金属波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来。本发明具有结构简单、易操作、材料低廉的优点；本发明结构为完全的金属结构，可以有效的防止外界的电磁辐射，而且介质损耗很低，无需封装；本发明具有结构尺寸小的优点，可用于太赫兹集成系统当中；本发明具有插入损耗低、响应快、可重复使用和寿命长的优点。
【专利说明】
一种复合波导结构机械式THz光开关
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太赫兹功能器件，特别涉及一种复合波导结构机械式THz光开关。
【背景技术】
[0002] 太赫兹光开光是太赫兹网络系统中对信号进行控制的核心器件，在太赫兹领域广 泛的应用于光层的路由选择、上下话路、光交叉连接、器件测试、波长选择及自愈保护等方 面。光开关按照工作原理可分为机械式光开关和波导型光开关，相对于波导型光开关，机械 式光开关具有价格便宜、插入损耗低、串扰小和重复性好的优势。
[0003] 近些年，对于光开关方面国内外都取得了很多研究成果。2007年，美国波士顿大学 的Hou-Tong Chen 等人在 Opt.Lett.上发表了文章"Ultrafast optical switching of terahertzmetamaterials fabricated on ErAs/GaAsnanoislandsuperlattices"，石开究了 在ErAs/GaAs纳米晶格基底上制作太赫兹超材料光开关，其复原时间可以达到20皮秒之短。 2009年，我国华中科技大学的王涛和李庆等人在《光学学报》上发表了文章《有源光子带隙 高速全光开关的研究》，提出了一种基于非共振光学斯塔克效应的有源光子带隙全光偏振 开关，此种开关具有体积小和开关时间短的优点。2012年，英国南安普顿大学的Andreg E ? Nikolaenko等人在Opt ? Express上发表了文章 "THz band width optical switching with carbon nanotube metaterial"，研究了一种基于碳纳米管材料的太赫兹光开关，具 有低开关能量和超快的弛豫时间的性能。2015年，我国南京邮电大学的刘佳和陈鹤鸣在《光 通信研究》上发表了文章《复式晶格光子晶体多波长THz光开关》，提出了一种基于复式晶格 光子晶体的多波长THz光开关，此结构能过实现四波长THz波的开关控制，它的消光比可以 达到40dB，插入损耗为0.109dB。
[0004]已发表的相关专利也是硕果累累，2010年天津大学的胡明和陈涛等人申请了专利 《一种THz波段氧化钒光开关及其制作方法》，专利公开号为CN 101950092 A，是一种氧化钒 薄膜结构，具有消光比高等优点。2013年广西安捷讯电子科技有限公司的姚凤岐申请了名 为《2X2机械光开关》的发明专利，其专利公开号为CN 103487893 A，此发明可以降低封装 难度，适合大规模生产。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种采用完全的金属结构，可以有效的避免外界的电磁辐 射产生的干扰，而且不用考虑封装的问题的复合波导结构机械式THz光开关。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007 ] -种复合波导结构机械式THz光开光，包括两种不同的周期结构中空圆柱状金属 波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来。
[0008] 所述的波导结构管壁所采用的材料是低损耗的金属。
[0009] 复合波导结构为中空的波导，其填充物为空气。
[0010] 所述的两种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二 阶横向模式的截止频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：
[0012]其中，m代表第m阶横向模式，/(广> 是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的 长半径与短半径的平均值，0是传播常数，n是布拉格共振的阶数，A是矩形起伏结构的周期 长度。
[0013]所述的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件，但波导I二 阶横向模式的截止频率在m = 1，n = 1和m = 1，n = -1的交点下方，波导II二阶横向模式的截 止频率在m=l，n = l和m=l，n = -l交点的下方的条件下给出的。
[0014]其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I和波导II的起 伏结构形成基底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20wii的长度，波导II的第 一个长半径端多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱;成形之后利用X-LIGA工艺在 上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度是10M1，其中波导II的第一个长半径端多加工 出的与波导I长半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所漏出的圆环处涂 覆金属层;然后将聚合物基底腐蚀掉;最后将波导II的长半径端插到波导I的长半径端，最 后利用电子束喷射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个长度为10M1的 内径大于波导II长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径端口内。
[0015]本发明的有益效果在于：
[0016] 本发明具有结构简单、易操作、材料低廉的优点；本发明结构为完全的金属结构， 可以有效的防止外界的电磁辐射，而且介质损耗很低，无需封装;本发明具有结构尺寸小的 优点，可用于太赫兹集成系统当中；本发明具有插入损耗低、响应快、可重复使用和寿命长 的优点。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明一种复合波导结构机械式THz光开关的结构的剖面图。
[0018]图2为本发明一种复合波导结构机械式THz光开关的结构分别在"开"、"关"状态下 的频谱图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和理论计算的实例对本发明进行详细的描述。
[0020] 本发明涉及的是光器件领域，具体是一种复合波导结构机械式THz光开关。这种结 构是由两种周期结构波导(波导I波导II)组成的，两种波导的结构参数是由相同的布拉格 共振条件，但它们二阶横向模式的截止频率所处的位置不同的条件下给出的，其特点是波 导I的短半径rn和波导II的长半径rm相同。两个波导均取六个周期，太赫兹波由波导I的短 半径端入射，有波导II的短半径端出射。两个波导的连接处，将波导II的最开始的半个周期 (长半径端)套入波导I的最后半个周期(长半径端）内形成一种套扣的形式，使其能够进行 拉伸。在没有将波导II拉伸出来时，即呈现出波导II的长半径端与波导I的短半径端相连的 情况，此时处于"关"的状态，当将波导II拉伸出来后，即呈现出波导II的长半径端与波导I 长半径端连接的情况，此时处于"开"状态。本结构无需封装、材料低廉、容易生产、可用于大 规模的生产加工。
[0021] 图1中灰色带条纹部分为波导I，灰色实体部分为波导II，虚线框内是套扣部分； rii、r2dP A :分别为波导I的短半径、长半径和周期长度;rm、r2ii和A n分别为波导II的短 半径、长半径和周期长度。
[0022] 本发明提供了一种复合波导结构机械式THz光开关，它是由两种中空的周期结构 波导(波导I和波导II)以一种套扣的形式连接起来而成的。这两种周期结构波导的结构参 数是由不同二阶横向模式截止频率条件下的布拉格共振给出的，其中波导I的二阶横向模 式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之下，波导II的二阶横向模式的截止频率在第 一阶横向模式的一阶共振之上。两个波导的连接处均是各自的长半径端，将波导II的长半 径端套入波导I的长半径端，使其在波导I的长半径端的内部能够拉伸，当波导II的长半径 端插到波导I里面与波导I的短半径处连接时，此结构处于"关"的状态，当波导II的长半径 端拉到波导I的长半径端端口时与波导I的长半径处连接，此结构处于"开"的状态，两个波 导均取六个周期，太赫兹波由波导I的短半径端进，波导II的短半径端出。
[0023] 所述的复合结构波导的管壁为低损耗的金属材料制作而成的，复合波导为中空波 导，其芯内填充物为空气。其制作方法是利用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波 导I和波导II的起伏结构形成基底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20wii的 长度，波导II的第一个长半径端多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱。成形之后利 用X-LIGA工艺在上述聚合物基底上涂覆一层金属层，其厚度是lOwii，其中波导II的第一个 长半径端多加工出的与波导I长半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所 漏出的圆环处涂覆金属层。然后将聚合物基底腐蚀掉。最后将波导II的长半径端插到波导I 的长半径端，最后利用电子束喷射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个 长度为10M1的内径大于波导II长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径 端口内。
[0024] 在周期结构波导中电磁波的横向模式之间会发生共振，从而产生频率禁带，使得 某些特定频率范围内的电磁波不能通过此种周期结构波导。当共振条件不同时得到的两种 周期结构波导且它们有相同的频率禁带的情况下，使这两种波导连接起来，不但不能更有 效的抑制电磁波的传输，反过来由于局部共振的原因，会在两波导重合的频率禁带内出现 通带，当其中的一个波导的周期完整性被破坏后，这种局部共振效应会消失，使其产生的通 带消失，这样就可以实现光开关的功能。
[0025] 两种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二阶横向 模式的截止频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：
[0027]其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的 长半径与短半径的平均值，0是传播常数，n是布拉格共振的阶数，A是矩形起伏结构的周期 长度。在周期结构波导中，由于周期状起伏结构的存在，使得横向模式之间会发生共振，从 而产生频率禁带。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振被称为布拉格共振，产生布 拉格禁带。这里的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件(m=l，n = 0 和m= 1，n = 1 )，但不同二阶横向模式截止频率条件下的布拉格共振给出的，其中波导I的二 阶横向模式的截止频率在第一阶横向模式的一阶共振之下，波导II的二阶横向模式的截止 频率在第一阶横向模式的一阶共振之上。
[0028] -种复合波导结构机械式THz光开关，如图1所示为本发明结构的剖面图，本发明 是由两种周期结构波导组成的，所述的周期结构波导的一个周期A内的短半径rdP长半径 r 2部分各占一半，且两个部分曾交替状态的起伏周期结构。两个波导以一种套扣的形式，将 波导II的长半径端套入波导I的长半径端连接起来的。
[0029] 如图1所示，为理论计算时所用的模型，这两个波导的结构尺寸分别为:波导I:riI =171um，r2i = 209iim，A i = 182細；波导II :rm = 139 ? 5ym，r2ii = 171um，A n = 224iim。
[0030] 如图1所示，灰色带条纹部分为波导I，灰色实体部分为波导II，虚框内为两波导的 连接处的套扣结构，当波导II的长半径端插到波导I里面与波导I的短半径处连接时，0.86 ~1. ITHz范围内完全为禁带，此时处于"关"的状态，当波导II的长半径端拉到波导I的长半 径端端口时与波导I的长半径处连接，会在0.9634THZ附近出现一个很窄的透射峰，此时处 于"开"的状态。
[0031] 以上所述的实施例子仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和尺寸等 都是可以根据设计而变化的，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 包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种复合波导结构机械式THz光开光，其特征在于:包括两种不同的周期结构中空圆 柱状金属波导，波导I和波导II，两个波导以套扣的形式连接起来。2. 根据权利要求1所述的一种复合波导结构机械式THz光开光，其特征在于:所述的波 导结构管壁所采用的材料是低损耗的金属。3. 根据权利要求1所述的一种复合波导结构机械式THz光开关，其特征在于:复合波导 结构为中空的波导，其填充物为空气。4. 根据权利要求1所述的一种复合波导结构机械式THz光开关，其特征在于:所述的两 种周期结构波导的结构参数是由色散曲线中相同的Bragg共振点，但二阶横向模式的截止 频率不同的情况下得到的，所述的色散曲线函数如下：其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的长半 径与短半径的平均值，β是传播常数，η是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期长 度。5. 根据权利要求1所述的一种复合波导结构机械式THz光开关，其特征在于:所述的两 个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件，但波导I二阶横向模式的截止 频率在m=l，n = l和m=l，n = -l的交点下方，波导II二阶横向模式的截止频率在m=l，n=l 和m=l，n = -l交点的下方的条件下给出的。6. 根据权利要求1、2或3所述的一种复合波导结构机械式THz光开关，其特征在于:其制 作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上分别加工出波导I和波导II的起伏结构形成基 底，其中波导I的最后一个周期内长半径端多加工出20μηι的长度，波导II的第一个长半径端 多加工出一段半径与波导I长半径相等的圆柱;成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物基 底上涂覆一层金属层，其厚度是ΙΟμπι，其中波导II的第一个长半径端多加工出的与波导I长 半径相等的圆柱上，只在其与波导II的连接的那个底面所漏出的圆环处涂覆金属层;然后 将聚合物基底腐蚀掉;最后将波导II的长半径端插到波导I的长半径端，最后利用电子束喷 射技术在波导I的长半径端的波导内的端头上，加工出一个长度为IOwn的内径大于波导II 长半径的圆环，将波导II的长半径端口套在波导I的长半径端口内。
【文档编号】G02B6/35GK105891966SQ201610356582
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】樊亚仙, 徐兰兰, 桑汤庆, 张鹭, 陶智勇
【申请人】哈尔滨工程大学