基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器
阅读说明：本技术 基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器 (High-efficiency terahertz polarization beam splitter based on waveguide transmission ) 是由 焦晓飞 宋国峰 徐云 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种太赫兹偏振分束器,包括：周期性金属-介质-金属波导层；所述周期性金属-介质-金属波导层由交替排列的金属条带与介质条带构成,一个周期内包含多个介质宽度不同的波导层；所述太赫兹偏振分束器能够将入射的TE模式偏振波与TM模式偏振波进行分束。本发明利用TE与TM波导模式对介质宽度的依赖性不同来实现偏振分束功能,而TE与TM波导模式在金属波导中具有低损耗的特质,具有高效的优点。对于不同频段的太赫兹波,本发明可以通过对波导介质宽度以及波导传输长度进行调节,从而实现偏振分束效果。(A terahertz polarization beam splitter, comprising: a periodic metal-dielectric-metal waveguide layer; the periodic metal-medium-metal waveguide layer is composed of metal strips and medium strips which are alternately arranged, and a plurality of waveguide layers with different medium widths are contained in one period; the terahertz polarization beam splitter can split incident TE mode polarized waves and TM mode polarized waves. The invention realizes the polarization beam splitting function by utilizing the different dependence of the TE and TM waveguide modes on the width of the medium, and the TE and TM waveguide modes have the characteristics of low loss and high efficiency in the metal waveguide. For terahertz waves of different frequency bands, the invention can realize the polarization beam splitting effect by adjusting the width of the waveguide medium and the transmission length of the waveguide.)
技术领域
本发明涉及太赫兹器件领域，具体涉及一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器。
背景技术
当前，太赫兹技术已经成为本世纪非常重要的学科之一，它在成像、通信、天文、医疗等重要领域都具有独特的优势和巨大的应用前景。在太赫兹系统中除了太赫兹源及探测器外，太赫兹调制器、滤波器、分光器、偏振器等功能器件也是必不可少的。在这些器件中，偏振分束器在太赫兹偏振光谱分析、偏振成像、偏振态通信等起到非常重要的作用。在太赫兹范围内，由于功率较低，器件的传输效率特别重要，再加上自由空间路径损耗以及大气的吸收等等，信噪比会有比较大的影响。传统的太赫兹偏振分束器依赖光学晶体的双折射效应，利用正交偏振分量传播过程中晶体对应的折射率差来进行偏振分束。然而这些天然的光学晶体不仅稀有、而且双折射较弱，传输效率也不高，所需的材料厚度较厚。
传统的金属超表面具有表面等离激元共振的存在，但金属的等离子体频率一般位于可见光和紫外波段，在THz波段金属接近理想导体，很难激发表面等离激元共振，而且大部分金属超表面都是反射超表面，需要设计复杂的光路，很难满足大部分透射情况的应用。在当今光学系统集成度不断提高的趋势下，传统的偏振分束器已经无法满足应用需求。鉴于太赫兹技术的快速发展，这些弊端需要紧迫的解决。近期，超材料或超表面的出现，为太赫兹偏振器件的实现提供了一种新的设计思路，超表面结构在入射场的驱动下可以产生不同模式的振荡，各种振荡模式下的光谱响应对结构的形状、尺寸、材料等都有依赖关系。通过对超表面的结构、尺寸及结构的周期性的设计，研究人员可以实现在不同的辐射场间产生相位梯度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，包括：
周期性金属-介质-金属波导层；
所述周期性金属-介质-金属波导层由交替排列的金属条带与介质条带构成，一个周期内包含多个介质宽度不同的波导层；
所述太赫兹偏振分束器能够将入射的TE模式偏振波与TM模式偏振波进行分束。
其中，所述周期性金属-介质-金属波导层要求相邻的波导层TE模式传输相位差相等。
其中，所述入射的TM模式偏振波，在金属条带表面激发表面等离激元，用来增强透射效率。
其中，所述周期性金属-介质-金属波导层通过改变介质宽度实现调控工作频段的功能。
其中，所述TM模式的透射相位不依赖于波导介质宽度的变化。
其中，所述太赫兹偏振分束器通过调节周期内相邻波导层的介质宽度能够调节TE模式的相位梯度。
其中，通过调节所述周期性金属-介质-金属波导的传输长度，能够实现对透射相位及透射效率的调节。
其中，所述太赫兹偏振分束器工作波长为太赫兹波段。
其中，金属在太赫兹波段近的吸收损耗极少，所述金属条带为铝、铜、金或银。
其中，通过设计一个周期内的波导层数量能够调节分束角度。
基于上述技术方案可知，本发明的基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、本发明利用TE与TM波导模式对介质宽度的依赖性不同来实现偏振分束功能，而TE与TM波导模式在金属波导中具有低损耗的特质，具有高效的优点。
2、周期内的波导层数决定了透射的相位梯度变化，通过对周期内波导层宽及波导层数的调节可覆盖2π的相位梯度变化，可以实现不同角度的偏折。
3、对于不同频段的太赫兹波，本发明可以通过对波导介质宽度以及波导传输长度进行调节，从而实现偏振分束效果。
附图说明
图1为本发明实施例中的基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器示意图；
图2为本发明实施例中的基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器的剖面结构示意图，其中z坐标代表器件垂直方向，x、y坐标方向代表器件水平方向；
图3为本发明实施例中的基于波导传输的偏振分束器的透射率随介质宽度的变化曲线；
图4为本发明实施例中，偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)入射光分量的透射相位随介质宽度的变化曲线；
图5为本发明实施例中，偏振沿x轴方向(TM)与偏振沿y轴方向(TE)入射光透射电场的分布图。
上图中，附图标记含义如下：
1、石英材料；2、金属铝材料；3、传输长度；4、波导结构周期。
具体实施方式
本发明公开了一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，属于电磁波发明领域。本发明的主要结构如图1所示，由介质宽度渐变的周期性金属-介质-金属波导层构成。相邻金属条带与位于其中的介质层形成金属-介质-金属波导，在工作波段同时支持TE模式与TM模式传输。在工作频段TE模式的透射相位变化依赖于介质宽度，而TM模式的透射相位变化与介质宽度无关。多个介质夹层厚度不同的波导结构构成一个周期，则TE模式在波导出射口出现横向的相位梯度，TE波前方向发生改变，而TM波前无变化，实现偏振分束功能。本发明具备效率高、分束角度依结构可调、工作频率依参数可调等特点。
具体的，本发明公开了一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，主要包括：
周期性金属-介质-金属波导层；此周期性金属-介质-金属波导层由交替排列的金属条带与介质条带构成，一个周期内包含多个介质宽度不同的波导层；
其中，所述的周期性金属-介质-金属波导层，要求相邻的波导层TE模式传输相位差相等，可以通过对介质宽的调节来实现；一个周期内的波导层数量决定了TE模式的偏折角度；对于TM模式入射，在金属条带表面激发表面等离激元，用来增强透射效率；通过改变介质宽度实现调控工作频段的功能。
其中，TM模式的透射相位不依赖于波导介质宽度的变化。
其中，通过调节周期内相邻波导层的介质宽度可以调节TE模式的相位梯度。
其中，通过调节周期性金属-介质-金属波导的传输长度，可以实现对透射相位及透射效率的调节。
其中，所述的基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器工作波长为太赫兹波段。
其中，金属在太赫兹波段近似完美电导体，吸收损耗极少，所述的金属条带为铝、铜、金或银。
其中，通过设计一个周期内的波导层数量可以调节分束角度。
一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，主体包括周期性金属-介质-金属波导层，其中周期内的波导介质宽度呈渐增或渐减趋势。
所述一种基于波导传输的高效太赫兹偏振分束器，由周期内介质宽度渐变的金属-介质-金属波导层构成。相邻金属条带与位于其中的介质层形成金属-介质-金属波导，在工作波段同时支持TE模式与TM模式传输。TE模式与TM模式的模式折射率不同，在工作波段TE模式的透射相位变化依赖于介质宽度，而TM模式的透射相位变化与介质宽度无关。多个介质夹层厚度递增或递减的波导结构构成一个周期，则在波导出射口出现横向的相位梯度，一个周期内相位梯度覆盖2π，TE波前方向发生改变，而TM波前无变化，实现偏振分束功能。
一般来说，参与THz波在金属波导中传输的过程包括THz在波导中的直接透射、由表面等离激元极化波导致的异常透射以及引起的局域化表面等离激元，这三者将会发生耦合从而影响共振频率以及透射。与在介质表面上的狭缝谐振器不同的是，此结构金属条形成了完整的波导阵列，局域表面等离共振被消除，吸收损耗大大降低。另一点与狭缝谐振器不同的是在上表面产生表面电共振在这里作为偶极子源激发侧壁的磁共振，磁共振又可以耦合回电共振中，激发的表面等离激元共振可沿波导侧壁传播，从而实现高效透射的偏振分束器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本实施例中的这种基于波导传输的太赫兹偏振分束器，可以将入射的TE偏振波与TM偏振波进行分束，工作频段为1THz，透射效率在90％以上。如图1所示为基于波导传输的太赫兹偏振分束器的示意图，图中1该偏振分束器的介质材料石英，图中2为金属条带材料铝，图中3为金属-介质-金属波导层的传输长度a＝1200μm，图中4为波导结构的一个周期，介质层沿x轴方向宽度为d1＝135μm，d2＝143μm，d3＝153μm，d4＝167μm，金属条带沿x轴方向宽度为w＝5μm。
如图2所示为基于波导传输的太赫兹偏振分束器的剖面图。
入射光沿z轴方向入射，电矢量在xy平面内，电矢量方向与x轴呈45°夹角，偏振方向平行于条带方向(即TE入射分量，沿y轴方向)与偏振方向垂直于条带方向(即TM入射分量，沿x轴方向)的入射光分量强度相同。如图3所示为基于波导传输的太赫兹偏振分束器的透射率随介质宽度的变化曲线，参照图3，在介质宽度为135μm到167μm的范围内，偏振分束器的透射率几乎都在90％以上。如图4所示为偏振沿x轴方向与偏振沿y轴方向的透射光分量之间的透射相位随介质宽度的变化曲线，参照图4，在135μm到167μm的范围内，TE偏振的透射相位与介质宽度呈近线性变化，而TM偏振的透射相位不受介质宽度影响，随着介质宽度的变化，透射相位并没有发生改变。因此选此实施例中的结构可实现相邻结构的相位梯度差为π/2，实现2π的相位覆盖。
分束结果请参见图5，图5左边是TE偏振波的电场分布，图5右边是TM偏振波的电场分布，参照图5，可知TE偏振波透射后传播方向发生变化，TM偏振波透射后的传播方向无变化，呈现偏振分束效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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