一种太赫兹波可调谐模式转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹可控功能器件，尤其涉及一种太赫兹波可调谐模式转换 器，太赫兹波可调谐模式转换器。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波介于毫米波及红外光波之间，它不仅具有毫米波及红外光波的一些优点 (如具有良好的穿透性，能够有效穿透非金属物质，成像的分辨率高等），还具有透视性、瞬 态性、高信噪比和低光子能量等优点，使其在成像、雷达、光谱、医学、通信和公共安全等领 域具有重要的研宄价值和深远的应用前景。近年来，太赫兹波科学与技术的研宄成为光学 领域的研宄热点。发展太赫兹系统主要包括辐射源、探测器件和各种功能型器件，其中太赫 兹波功能型器件（如滤波器、分束器、模式转换器、开关等）是太赫兹波应用系统的核心部 分，必不可少。太赫兹波段功能型器件尤其是可控功能器件匮乏，限制了太赫兹波技术的进 一步应用。
[0003] 在一些重要的应用领域如超透明器件、量子级联激光器、无衍射光束和低传输及 弯曲损耗波导中需要进行模式调控，这对高功率波的传输、测量等均十分重要，因此对模式 转换器的研制势在必行。理论上，模式转换器包括一切能够实现模式转换功能的器件。目 前，常见的模式转换器主要有：（1)基于光纤光栅的模式转换器（Journal of Lightwave Technology，2005, 23 (11)，3426)，采用光纤光栅将光纤中的基模转换为高阶模，但是不能 获得100%的模式耦合，且基模剩余能量会对高阶模的传输产生干扰。（2)基于光子晶体光 纤的模式转换器（一种光纤模式转换器，专利【申请号】200810021652. 8)，是一种双芯光子 晶体光纤，包括由基质材料构成的包层和两种大小不等的空气孔组成的纤芯。利用两种纤 芯中基模与高阶模之间的能量耦合，实现基模与高阶模之间的转换。此种模式转换器能够 使基模与高阶模完全分离，但不能保证基模和高阶模的完全转换。（3)基于波导的模式转换 器（一种波导模式转换器，专利【申请号】201410421925.3)，利用多模干涉结构的自镜像原 理实现超低损耗的条形波导与沟道波导基模的模式转换。此种波导模式转换器易于加工， 转换效率高，但是不能实现基模到高阶模的转换。
[0004] 绝大数的波导型单模器件都是基于波导的截止频率实现的，因此，所能利用的单 模仅仅是波导中的基模。但是在许多现实的应用中需要用到不同的模场分布，有时需要将 基模抑制掉，获得单一的高阶模式。由于基模具有最低的截止频率，所以对基模的抑制就变 成了一个非常困难的课题。如何能够简单地实现波导中各模式的按需选择就成为一个富有 挑战性的科学问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了提供一种在太赫兹频段不仅能够实现从基模到单一高阶模 高效转换，而且输出的高阶模中心频率在一个较宽范围内可调的太赫兹波可调谐模式转换 器。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：包括至少两个矩形周期起伏结构组成的中空式圆柱 状金属内壁波导，中空式圆柱状金属内壁波导的内表面设置有金属层。
[0007] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0008] 1.每个矩形周期的长度是Λ，
其中c是真空中光 速，η是Bragg共振的阶数，&是工作频率，\im)是m阶Bessel函数的零点；
[0009] 矩形周期起伏参数是ε，ε = 0.1 rtl,其中Γ(ι是中空式圆柱状金属内壁波导的平 均半径，
[0010] 2.所述金属层的厚度是0-70 μ m，金属层的材料是金或银或铝。
[0011] 3.中空式圆柱状金属内壁波导的材料是硅或石英或玻璃或树脂材料或聚合物或 陶瓷。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1)在周期起伏金属内壁波导中利用模 间共振机理有效地实现了从基膜基模到单一高阶模式的有效转换，无需复杂的光学系统， 结构十分简单紧凑，尺寸小，重量轻，易于小型化，便于集成。（2)基模基本无能量剩余，高效 地转换为单一高阶模式输出。（3)通过改变内壁涂覆金属层的厚度实现转换频率的调谐，调 谐范围宽。（4)模式转换器为一整体的闭合金属波导结构，可避免外界电磁辐射的干扰和介 质的损耗，损耗小，可靠性高。本发明可满足太赫兹波通信、成像、生物工程等系统对模场分 布的要求，尤其是有利于太赫兹系统的小型化和集成化，在太赫兹应用领域中有十分广阔 的应用前景。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的结构示意图；
[0014] 图2是本发明的一个周期的矩形周期起伏结构的内部结构示意图；
[0015] 图3是本发明实施例中波导模式转换器中电磁场分布纵向截面图；
[0016] 图4是本发明实施中波导模式转换器输出单一高阶模中心频率随金层厚度的变 化。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0018] 本发明所依据的原理是：
[0019] 太赫兹波导可调谐模式转换器结构的设计原理为：低阶模式的太赫兹波入射到圆 柱状金属内壁波导中，在矩形周期起伏结构中发生横向驻波模式的共振相互作用，在输出 端输出单一的高阶模式。第m阶横向模式的色散曲线可由下式给出：
[0020]
(1)
[0021] 式中，是第m阶Bessel函数的零点，m的取值为1，2, 3, ... :^是圆柱状金属内 壁波导的平均半径，β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，η的取值为0, 1，2, ...，Λ是矩 形起伏结构的周期长度。其中，当高阶模式的截止频率等于低阶模式的共振频率时，不同横 向驻波模式间产生共振相互作用，使得低阶模式被抑制，而单一高阶模式能够产生并传播， 也就是实现从低阶模式到高阶模式的转换。
[0022] 进一步，通过控制矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆金属层的厚度，改变圆柱 状金属内壁波导的谱带结构，从而控制模式转换器通带位置的移动，实现输出频率调谐的 功能。当金属层厚度不断增大，圆柱状金属内壁波导的谱带位置由低频向高频移动，从而使 模式转换器的通带向高频移动，实现输出频率调谐。因此可根据实际需要的模场分布和工 作频率，来选择波导结构参数和波导内壁金属层的涂覆厚度。
[0023] -种太赫兹波导可调谐模式转换器，是由矩形周期起伏管壁构成的圆柱状金 属内壁波导，所述矩形周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层。在所述外层矩形 周期起伏结构的管壁内表面涂覆一层金属层，所述金属层的厚度在0-70 ym之间改 变。所述矩形周期起伏结构的管壁材料为硅、石英、各种玻璃、树脂材料、聚合物、陶瓷 等。其内壁金属涂层可以用金、银、铝等金属材料。所述矩形周期起伏结构参数可由多 横模共振相互作用机理给出：由圆柱状金属内壁波导中第m阶横向模式的色散曲线一
,式中：是m阶Bessel函数的零点，m的取值为 1，2, 3,... Γ(ι是圆柱状波导的平均半径，β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，η的取值 为0，1，2，... Λ是矩形起伏结构的周期长度）可知，在传播常数β等于0时，第m阶横向 模式发生共振作用（即η = 1，2,...），其共振频率为/(m)。当第m+1阶横向模式的截止频 率/^w (即n = 0)与第m阶横向模式的共振频率相等时，设定圆柱状波导的工作频 率为/。=//- =/，+1)，可以求出圆柱状金属波导的平均半径G = c · C+1V (2ΤΛ)，矩形起 伏结构的周期
。其中，所述圆柱状波导的矩形周期起伏参数 为ε = 0.1 iv所述矩形周期起伏结构占空比为1:1，根据设计也可以包括其他占空比结 构。低阶太赫兹波从此结构参数下圆柱状波导的输入端输入，在矩形周期起伏结构中发生 第m阶及第m+Ι阶横向驻波模式的共振相互作用，输出端输出单一的高阶模式太赫兹波，实 现高效的模式转换。圆柱状金属内壁波导的制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在硅片、石 英、玻璃或聚合物上成型。之后，利用X-LIGA工艺在所述矩形周期起伏结构的管壁内表面 涂覆一层金属。通过改变金属层的厚度（0-70 ym)，使输出谱带结构发生改变，从而实现模 式转换器频率的调谐。随着金属层厚度增大，模式转换器输出频率向高频移动，该波导模式 转换器可实现输出频率宽带线性调谐。
[0024] -种太