可调谐太赫兹磁控光开关的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可调谐太赫兹磁控光开关，是一种具有周期起伏结构的圆柱状波导，由内向外共有三层，分别是内层填充向列型液晶E7，中间层为高密度聚乙烯化合物(对填充液晶的波导进行封口)，外层为低损耗金属。波导的周期波导壁的起伏高度ε＝0.1*r0(r0为周期起伏结构圆柱状波导的平均半径)，高密度聚乙烯层和低损耗金属层的厚度均为1μm。本发明是利用磁场对向列型液晶E7的折射率的改变来实现波导发生非布拉格效应频段的调控，从而起到开关的作用。本发明所提供的可调谐太赫兹磁控光开关制备工艺简单、操作方便、性能稳定，而且开关速度快、体积小、易于集成、可调谐范围宽，因此具有较高的科学意义及应用价值。
【专利说明】
可调谐太赫兹磁控光开关
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太赫兹波可控功能器件，尤其涉及一种可调谐太赫兹磁控光开 关，属于太赫兹波科学与技术领域。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波通常是指频率为0.1~ΙΟΤΗζ之间的电磁波，在电磁波谱中介于微波和红 外辐射之间，具有两者所不具备的独特特性，在安全检查、军事雷达和医学成像等多个领域 展示出广泛的应用前景，尤其是在通信方面，太赫兹通信与微波通信相比具有传输带宽宽、 天线尺寸小和抗干扰能力强等优点，适合短距离高速度通信、空间通信和军事保密通信等 领域，而太赫兹光开关是太赫兹通信的关键器件之一，对其研究有着重要的意义。
[0003] 目如报道中，太赫兹光开关有基于光子晶体的太赫兹光开关，基于娃波导、新型电 磁材料和具有相变性质的金属氧化物材料制成的THz光开关，基于布拉格光纤结构的THz光 开关。例如2007年Willie J.Padilla在"Optics Letters"发表文章"Ultrafast optical switching of terahertz metamaterials fabricated on ErAs/GaAs nanoisland superlattices" ；2010年天津大学的胡明等人发明了一种THz波段氧化f凡光开关，实现了开 关速度快、插入损耗低、消光比高等;2014天津理工大学的高欣发表论文中设计了磁控太赫 兹布拉格光纤开关，改善了插入损耗较大的问题。上述太赫兹光开关制作工艺复杂，成本相 对较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了提供一种损耗小、结构简单、性能调谐简单、工作频谱范围宽 的可调谐太赫兹磁控光开关，利用填充的向列型液晶E7对磁场的敏感性，通过改变磁场方 向而改变填充液晶的折射率，进而调控非布拉格禁带所处频段，因此实现可调谐太赫兹磁 控光开关。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括具有周期起伏结构的圆柱状波导，所述圆柱状 波导有内至外依次设置液晶、高密度聚乙烯化合物层、低损耗金属层，所述液晶是向列型液 晶E7。
[0006] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0007] 1.所述周期起伏结构的圆柱状波导的平均半径Π)满足：
[0009] 其中：/(m)是透射谱的中心频率，m表示第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的 零点，β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构的周期长度，c是光速；
[0010] 所述周期起伏结构的圆柱状波导的起伏高度￡=〇.1打0。
[0011 ] 2.所述高密度聚乙稀层和低损耗金属层均为Ιμπι。
[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明提供了一种可调谐太赫兹磁控光 开关，周期波导中填充对磁场敏感的向列型液晶E7,其工作频谱范围宽、性能调谐方便、损 耗小、结构简单、成本较低且易于集成。也即本发明具有结构简单、成本低廉的优点;本发明 波导结构为完全的金属结构，可以有效的防止外界的电磁辐射，而且内层填充液晶和密封 材料在太赫兹波段损耗很低;本发明具有结构尺寸小的优点，易于集成;本发明具有插入损 耗小、工作频谱宽和寿命长的优点。本发明利用的非布拉格共振的下降沿的位移来实现开 关功能，与布拉格共振对比其坡度更加陡峭，因此响应速度更快且其消光比远远超过其他 类型光开关。
【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Θ为〇°、45°和90°时，可调谐太赫兹磁控光开关的透射谱线图。
【具体实施方式】
[0015] 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。
[0016] 实施方式：
[0017] 1、结合图1，本发明提供的可调谐太赫兹磁控光开关，是一种具有周期起伏结构的 圆柱状波导，由内向外共有三层，分别是内层填充向列型液晶E7 1，中间层为高密度聚乙烯 化合物层2(对填充液晶的波导进行封口），外层为低损耗金属层3。通过对外加磁场的调节， 改变填充向列型液晶分子的有效折射率进而调控非布拉格禁带所处频段，因此实现了磁控 开关功能。也即本发明的所述光开关由对磁场敏感的向列型液晶E7填充的具有周期起伏结 构的金属波导组成，波导两端由高密度的聚乙烯密封。波导所填充液晶为向列型液晶E7,这 类液晶材料在太赫兹波段具有高双折射(双折射系数大于0.15)、低损耗等特性，尤其是对 磁场变化敏感。用来封口的高密度聚乙烯等聚合物材料在太赫兹波段低损耗、低色散。
[0018] 2、所述具有起伏结构的周期结构的参数是由色散曲线中的非Bragg得到的：
[0020] 其中，ro是周期结构波导的平均半径，i：(m)代表透射谱的中心频率，m代表第m阶横 向模式，是第m阶Bessel函数的零点，β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构 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。但是这里我们利用的是不同横向模式之间发生共振形成的非布拉格禁 带，即m=2，n = 0和m=l，n=l。得到的每个波导的半径ri = r〇± ε(η = ；Γ()-ε称为短半径，r2 = ro+ε称为长半径；ε为周期波导壁的起伏高度），周期Λ与入射波的频率、平均半径等有关； 长半径与短半径部分的长度相同为Λ/2。
[0021] 本发明的波导的周期波导壁的起伏高度ε=0.1*π)，因此短半径和长半径分别是η = 249·3μπι和r2 = 304.7ym，周期长度为Λ =247μπι，周期个数为N=10,高密度聚乙烯和金层 厚度均为lym。
[0022]通过改变磁场方向而改变填充液晶的折射率，进而调控发生非布拉格禁带所处频 段，因此实现可调谐磁控太赫兹光开关。也即通过控制波导周围的磁场方向，改变液晶分子 取向，使得液晶对入射线偏振太赫兹波的有效折射率改变，从而改变非布拉格禁带的所处 频带位置实现开关的功能。这里，太赫兹波偏振方向与液晶分子取向的夹角为Θ，所述液晶 有效折射率η ζ(θ)与夹角Θ的关系为：
[0024] 其中，~和η。为分别为向列型液晶Ε7的异常光和寻常光折射率。在波导外施加磁 场，其初始方向与波导轴向平行，而液晶的表面锚定能使得液晶分子也是沿着波导轴向排 列，此时磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角θ = 0°。随着磁场方向绕波导径向旋转时， 液晶分子的指向随磁场方向改变，即磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角Θ改变。在这一 过程中，随着夹角Θ的增大，液晶的有效折射率逐渐增大，波导产生的非布拉格禁带的位置 向低频移动实现了磁控光开关的调谐。
[0025] 3、外层材料^是低损耗金属一 Au，其厚度为Ιμπι，构成中空的圆柱状矩形周期起伏 波导。中间材料η是聚合物材料一高密度聚乙烯，其厚度为Ιμπι，起到密封液晶的作用，太赫 兹波可以在高密度聚乙烯材料中低损耗、低色散传输。内层填充材料是向列型液晶Ε7,其对 太赫兹波具有高双折射、低损耗和低色散特性，并且对磁场敏感。改变磁场可以改变液晶分 子的取向，从而改变液晶对入射线偏振太赫兹波的折射率，从而改变波导中非布拉格共振 的频段位置，从而达到太赫兹磁控开关的效果。
[0026] 也即所述低损耗金属层3,厚度为ra=lym，构成中空的圆柱状变截面周期波导，并 在其中填充对太赫兹波高双折射、低损耗传输且磁场敏感的向列型液晶E7。所述液晶填充 层短半径和长半径分别是ri = 249.3μηι和? = 304.7μηι，周期长度为Λ = 247μηι，周期个数为N = 10,在液晶与金属波导壁之间还有η = 1μηι厚的高密度聚乙稀材料2,在太赫兹波段具有 低损耗低色散等特点，用来密封液晶。
[0027] 图1是圆柱状矩形周期起伏波导的结构示意图，包括10个周期起伏结构。图2给出 了磁场方向与入射线偏振太赫兹波的夹角Θ分别为0°、45°和90°时，太赫兹磁控开关的透射 谱带结构。在波导外施加磁场，其初始方向与波导轴向平行，此时对于ΤΜ模，夹角Θ为〇°，液 晶的折射率为n。= 1.57。当磁场方向绕波导径向旋转改变方向时，夹角Θ增大，液晶折射率 增大，波导产生的非布拉格禁带的位置向低频移动。如夹角Θ为45°时，其非布拉格禁带的下 沿所处频率为0.615ΤΗζ。
[0028] 综上所述，本发明利用利用磁场对液晶折射率的调控，实现太赫兹波磁控光开关 的可调谐，在相关领域具有很高的应用价值和广阔的应用前景。
【主权项】
1. 可调谐太赫兹磁控光开关，其特征在于:包括具有周期起伏结构的圆柱状波导，所述 圆柱状波导有内至外依次设置液晶、高密度聚乙烯化合物层、低损耗金属层，所述液晶是向 列型液晶E7。2. 根据权利要求1所述的可调谐太赫兹磁控光开关，其特征在于:所述周期起伏结构的 圆柱状波导的平均半径r〇满足：其中：/(m)是透射谱的中心频率，m表示第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点， β是传播常数，η是Bragg共振的阶数，Λ是起伏结构的周期长度，c是光速； 所述周期起伏结构的圆柱状波导的起伏高度e = 〇.l*r0。3. 根据权利要求1或2所述的可调谐太赫兹磁控光开关，其特征在于:所述高密度聚乙 稀层和低损耗金属层均为lMl。
【文档编号】G02F1/29GK105866985SQ201610357321
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】陶智勇, 张鹭, 赵秋玉, 刘欢, 徐兰兰, 徐丹, 樊亚仙
【申请人】哈尔滨工程大学