一种太赫兹波TM通偏振滤波器

一种太赫兹波tm通偏振滤波器
技术领域
1.本发明涉及一种太赫兹波tm通偏振滤波器，属于太赫兹波通信、器件集成技术领域。


背景技术：

2.随着超大带宽、高速率、宽带宽、超稳定的光通信系统的快速发展，光波导器件的集成化、微型化和紧凑化已成为科学技术研究与应用的重要趋势，表面等离激元器件则为集成化光子器件带来新的思路，金属型表面等离激元器件在多个频段都有较好的效果。由于金属在太赫兹波段无法实现等离激元效应所需的负介电特性，因此金属型表面等离激元器件在太赫兹波段的应用被限制，尽管在表面等离激元器件中引入新材料可以在低于红外频段的频率下(太赫兹和微波波段)实现局域电场增强和突破光学衍射极限特点的等离激元效应，但太赫兹波的产生仍然比较困难，并且传统偏振调控器件尺寸过大而难以进行集成，进一步导致滤波器对太赫兹波的模式限制能力弱，因此高消光比、强模式限制能力的紧凑型太赫兹偏振滤波器急需研究开发。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种太赫兹波tm通偏振滤波器，通过对滤波器结构、材料、尺寸的组合设计，实现有效滤除太赫兹波的te模式，降低损耗，提高滤波器消光比的效果。
4.为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
5.本发明提出了一种太赫兹波tm通偏振滤波器，包括基底、擎架层、高折射率波导区域、涂覆层和涂覆介质层，所述高折射率波导区域设置在基底上表面的中间位置，所述擎架层设置在基底上表面上且位于高折射率波导区域的两侧，所述涂覆介质层由擎架层支撑在高折射率波导区域上方，所述涂覆层设置在涂覆介质层下表面与擎架层之间；
6.所述高折射率波导区域为拱柱形；所述涂覆介质层包括矩形主体和设置在矩形主体中间位置的脊型波导，所述矩形主体的两端与所述擎架层接触，所述脊型波导的横截面为等腰三角形，脊型波导的尖端朝向所述高折射率波导区域。
7.进一步的，所述高折射率波导区域包括依次连接的拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导；其中，拱柱形输入波导与拱柱形输出波导的尺寸一致，第一楔型模式转换波导与第二楔型模式转换波导的尺寸一致，拱柱形混合等离激元波导的宽度小于拱柱形输入波导和拱柱形输出波导的宽度。
8.进一步的，所述涂覆层和涂覆介质层位于第一楔形模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导和第二楔型模式转换波导的正上方。
9.进一步的，所述高折射率波导区域最高点和涂覆层最低点之间的空气间隙构成低折射率层，低折射率层高度的取值范围为0.5μm～1.5μm。
10.进一步的，所述涂覆介质层中脊型波导的高度的取值范围为10μm～20μm，脊型波导尖端的脊角度的取值范围为30
°
～90
°
。
11.进一步的，所述拱柱形混合等离激元波导的宽度的取值范围为8μm～12μm，拱柱形混合等离激元波导中矩形部分高度的取值范围为24μm～26μm，拱柱形混合等离激元波导中圆弧部分的半径为拱柱形混合等离激元波导的宽度的一半，拱柱形混合等离激元波导的长度的取值范围为135μm～155μm。
12.进一步的，所述拱柱形输入波导的宽度的取值范围为20μm～24μm，拱柱形输入波导中矩形部分高度的取值为18μm～20μm，拱柱形输入波导中圆弧部分的半径为拱柱形输入波导的宽度的一半，拱柱形输入波导的长度的取值范围为80μm～120μm。
13.进一步的，在高折射率波导区域中，所述拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导的高度一致。
14.进一步的，所述第一楔形模式转换波导的长度为10μm。
15.进一步的，所述基底的材料为sio2，所述擎架层的材料为pmma，所述高折射率波导区域的材料为si，所述涂覆层的材料为石墨烯，所述涂覆介质层的材料为sio2。
16.采用以上技术手段后可以获得以下优势：
17.本发明提出了一种太赫兹波tm通偏振滤波器，将高折射率层(即高折射率波导区域)设计成拱柱形，涂覆介质层设计成中空脊形，在涂覆介质层的底部设置涂覆层，从而在高折射率波导区域和涂覆层之间形成低折射率空气间隙，能够有效提升结构的模式约束能力，当太赫兹波垂直入射时，tm模式被很好的限制在了中间的低折射率空气间隙，从而实现更强的模式限制能力和更长的传输距离。
附图说明
18.图1为本发明一种太赫兹波tm通偏振滤波器的结构示意图；
19.图2为本发明tm通偏振滤波器的横截面示意图；
20.图3为本发明tm通偏振滤波器的俯视图；
21.图4为本发明实验1中入射波长λ＝100μm处拱柱形混合等离激元波导的截面场分布示意图；
22.图5为本发明实验2中脊型波导脊角度从30
°
变化为90
°
时模式面积和传输距离的变化情况示意图；
23.图6为本发明实验3中拱柱形混合等离激元波导长度在100μm～160μm范围内时tm模式和te模式的透射率示意图；
24.图7为本发明实验3中拱柱形混合等离激元波导长度在100μm～160μm范围内时的偏振消光比与插入损耗示意图；
25.图中，1是基底，2是擎架层，3是高折射率波导区域，4是涂覆层，5是涂覆介质层。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
27.本发明提出了一种太赫兹波tm通偏振滤波器，如图1～3所示，包括基底1、擎架层2、高折射率波导区域3、涂覆层4和涂覆介质层5，其中，高折射率波导区域设置在基底上表
面的中间位置，高折射率波导区域包括依次连接的拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导；擎架层由2个矩形结构组成，设置在基底上表面上且位于高折射率波导区域的两侧，起到支撑作用；涂覆介质层是由矩形主体和设置在矩形主体中间位置的脊型波导组成的一体式结构，矩形主体的两端与擎架层接触，整个涂覆介质层被擎架层支撑在高折射率波导区域上方；涂覆层设置在涂覆介质层下表面与擎架层之间。高折射率波导区域最高点(即拱柱顶点)与涂覆层最低点(即涂覆介质层脊型波导的底部)之间的空气间隙构成低折射率层，高折射率层、涂覆层和涂覆介质层共同组成本发明滤波器的滤波主结构。
28.在高折射率波导区域中，拱柱形输入波导与拱柱形输出波导的尺寸一致，第一楔型模式转换波导与第二楔型模式转换波导的尺寸一致，拱柱形混合等离激元波导的宽度小于拱柱形输入波导和拱柱形输出波导的宽度，拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导的高度一致，因此整个高折射率波导区域呈现出两头宽、中间窄的结构。在涂覆介质层中，涂覆介质层的总长度等于第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导的长度之和，即涂覆层和涂覆介质层实际位于第一楔形模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导和第二楔型模式转换波导的正上方。脊型波导的横截面为等腰三角形，脊型波导的底面与矩形主体相连，脊型波导的尖端朝向拱柱形混合等离激元波导。
29.为了实现对太赫兹波偏振调控，本发明对滤波器的材料和尺寸进行了针对性设计。基底的材料为sio2，擎架层的材料为pmma，高折射率波导区域的材料为si，涂覆层的材料为石墨烯(graphene)，涂覆介质层的材料为sio2。本发明涂覆层采用石墨烯材料，石墨烯具有光学性质可调特性，因此本发明器件调控更加灵活。
30.高折射率波导区域的总高度为h
si
，h
si
由矩形部分的高度和圆弧部分的高度组成。拱柱形输入、输出波导的宽度为w
si
，取值范围为20μm～24μm，优选20μm，拱柱形输入、输出波导顶部圆弧部分的半径为w
si
/2，拱柱形输入、输出波导中矩形部分的高度为h
si-w
si
/2，取值范围为18μm～20μm，优选20μm，拱柱形输入、输出波导的长度为l，取值范围为80μm～120μm，优选100μm。拱柱形混合等离激元波导的宽度为wg，取值范围为8μm～12μm，优选10μm，拱柱形混合等离激元波导顶部圆弧部分的半径为wg/2，拱柱形混合等离激元波导的矩形部分高度为h
si-wg/2，取值范围为24μm～26μm，优选25μm，拱柱形混合等离激元波导的长度为ln，取值范围为135μm～155μm，优选150μm。第一、第二楔型模式转换波导作为连接前后波导的收窄区域，其两侧横截面分别与拱柱形输入、输出波导和拱柱形混合等离激元波导一致，第一、第二楔型模式转换波导的长度为lc，优选10μm。
31.在本发明滤波器中，擎架层高度为h，擎架层2个矩形结构之间的宽度为wm，涂覆层的厚度为f，涂覆层/涂覆介质层的长度为lm＝ln+2lc，涂覆介质层中脊型波导的高度(或者说等腰三角形的高)为hw，取值范围为10μm～20μm，优选10μm，脊型波导尖端的脊角度的取值范围为30
°
～90
°
，优选30
°
。高折射率波导区域与涂覆层之间的空气间隙高度为h
air
，取值范围为0.5μm～1.5μm。
32.在本发明实施例中，偏振滤波器的高折射率层、低折射率层和涂覆层的材料依次为si、空气和graphene，其中，si的折射率为3.478，空气折射率为1。在太赫兹频段波入射
20db以下，且在ln＝150μm附近te模式透射率最低。表明滤波器能够有效滤除tem波中的te模式，并实现tm模式高通，且ln＝150μm时消光比较高。
45.本发明偏振滤波器将高折射率层设计成拱柱形，除了有效滤除te模式外，还能减少介质边角效应带来的损耗，有效提升模式限制能力，高折射率波导区域和涂覆层中间的低折射率空气间隙能够有效提升结构的模式约束能力，并且石墨烯涂覆层的多层设计能够分散损耗。当太赫兹波垂直进入结构时，tm模式被很好的限制在了低折射率空气间隙中，使整个滤波器结构能够在3thz附近有效滤除te模式，不仅可实现优秀的模式限制能力和长传输特性，还具有高消光比和低插入损耗的特性。
46.本发明可以实现在激发传统模式波导的前提下，激发tm的混合等离激元模式，滤除te模式，实现了偏振滤波的效果，同时突破了现有结构的局限性。本发明偏振滤波器工作于太赫兹频段，结构尺寸都在μm量级，因此器件的制造难度相较于光波导大大降低，并且目前石墨烯涂覆技术已相当成熟，材料易获取，制造简单，成本低。
47.与现有的一些滤波器相比，本发明滤波器的结构紧凑，便于集成，可应用于超高密度集成光路，易应用于高集成度的波导芯片中，对实现更高集成度的光子器件具有十分重要的意义。
48.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种太赫兹波tm通偏振滤波器，其特征在于，包括基底、擎架层、高折射率波导区域、涂覆层和涂覆介质层，所述高折射率波导区域设置在基底上表面的中间位置，所述擎架层设置在基底上表面上且位于高折射率波导区域的两侧，所述涂覆介质层由擎架层支撑在高折射率波导区域上方，所述涂覆层设置在涂覆介质层下表面与擎架层之间；所述高折射率波导区域为拱柱形；所述涂覆介质层包括矩形主体和设置在矩形主体中间位置的脊型波导，所述矩形主体的两端与所述擎架层接触，所述脊型波导的横截面为等腰三角形，脊型波导的尖端朝向所述高折射率波导区域。2.根据权利要求1所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述高折射率波导区域包括依次连接的拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导；其中，拱柱形输入波导与拱柱形输出波导的尺寸一致，第一楔型模式转换波导与第二楔型模式转换波导的尺寸一致，拱柱形混合等离激元波导的宽度小于拱柱形输入波导和拱柱形输出波导的宽度。3.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述涂覆层和涂覆介质层位于第一楔形模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导和第二楔型模式转换波导的正上方。4.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述高折射率波导区域最高点和涂覆层最低点之间的空气间隙构成低折射率层，低折射率层高度的取值范围为0.5μm～1.5μm。5.根据权利要求1所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述涂覆介质层中脊型波导的高度的取值范围为10μm～20μm，脊型波导尖端的脊角度的取值范围为30
°
～90
°
。6.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述拱柱形混合等离激元波导的宽度的取值范围为8μm～12μm，拱柱形混合等离激元波导中矩形部分高度的取值范围为24μm～26μm，拱柱形混合等离激元波导中圆弧部分的半径为拱柱形混合等离激元波导的宽度的一半，拱柱形混合等离激元波导的长度的取值范围为135μm～155μm。7.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述拱柱形输入波导的宽度的取值范围为20μm～24μm，拱柱形输入波导中矩形部分高度的取值为18μm～20μm，拱柱形输入波导中圆弧部分的半径为拱柱形输入波导的宽度的一半，拱柱形输入波导的长度的取值范围为80μm～120μm。8.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，在高折射率波导区域中，所述拱柱形输入波导、第一楔型模式转换波导、拱柱形混合等离激元波导、第二楔型模式转换波导和拱柱形输出波导的高度一致。9.根据权利要求2所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述第一楔形模式转换波导的长度为10μm。10.根据权利要求1所述的tm通偏振滤波器，其特征在于，所述基底的材料为sio2，所述擎架层的材料为pmma，所述高折射率波导区域的材料为si，所述涂覆层的材料为石墨烯，所述涂覆介质层的材料为sio2。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹波TM通偏振滤波器，包括基底、擎架层、高折射率波导区域、涂覆层和涂覆介质层，高折射率波导区域设置在基底上表面的中间位置，擎架层设置在基底上表面上且位于高折射率波导区域的两侧，涂覆介质层由擎架层支撑在高折射率波导区域上方，涂覆层设置在涂覆介质层下表面与擎架层之间；涂覆介质层包括矩形主体和设置在矩形主体中间位置的脊型波导，矩形主体的两端与所述擎架层接触，脊型波导的横截面为等腰三角形，脊型波导的尖端朝向所述高折射率波导区域。本发明能够在3THz附近有效滤除TE模式，并具有较强的模式限制能力、高消光比和低插入损耗。高消光比和低插入损耗。高消光比和低插入损耗。


技术研发人员：杨昕泽 迟甜甜 李胜 姚晗 许吉 刘宁 陆云清
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/18