一种基于dast晶体太赫兹波的内调制开关器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，包括太赫兹开关调制器，太赫兹开关调制器由有机非线性电光DAST晶体和相对称的设置在有机非线性电光DAST晶体两侧端面的金属电极构成，其中一侧端面的金属电极连接有由可调谐电阻器和可调谐电容器并联构成的输入匹配电路，另一侧端面的金属电极接电源地。本实用新型利用非线性光学共线差频原理和0类相位匹配，在非线性DAST晶体中产生宽调谐范围、高输出峰值功率的准连续太赫兹波，在有机非线性电光DAST晶体用作差频产生太赫兹波的同时，对太赫兹波的通断进行调制。本实用新型结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，调制效率高，并可以满足太赫兹波技术在通信、雷达等方面的应用需求。
【专利说明】
一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件
技术领域
[0001]本实用新型涉及能够同时实现太赫兹差频产生和进行内开关效应的太赫兹器件，尤其涉及一种基于有机非线性电光DAST晶体的非线性和电光效应实现太赫兹波内调制的开关器件。
【背景技术】
[0002]太赫兹波通常是指波段位于微波和红外光之间的电磁波，其频率位于0.1-1OTHz(波长在30um-3000um)，是电磁波谱中的最后一个空白频隙。因为太赫兹波包含有丰富的物理和化学信息，有着广泛的实际应用。近年来，太赫兹波通信技术得到了较大的发展。太赫兹波通信系统离不开各种太赫兹波功能器件的性能保障。目前，尽管国内外在太赫兹波功能器件方面的探索已经逐渐进行，但是太赫兹波功能器件相对于太赫兹波的产生和检测装置以及太赫兹传输波导来说依然需要进行深入的研究。太赫兹波开关是一种非常重要的太赫兹波功能器件，用于控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断。现有的太赫兹波开关往往结构复杂、体积较大并且价格昂贵。小型化、低成本的太赫兹波开关器件是太赫兹波技术应用的关键。
[0003]有机非线性电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N，N-dime thy lamino-4’ -N’ -me thy 1-sti lbazo liumtosy late)(简称DAST)在近红外波段具有较大的非线性系数、低介电常数和高电光系数，因此具有非常广泛的电光应用，尤其是可以使用在太赫兹差频产生和电光开关。当两束入射光波的频率差在太赫兹(30um-3000um)波段时，将两束光波同时入射到有机电光DAST晶体中，当入射光波达到一定的功率时，基于有机电光DAST晶体的非线性效应可以差频产生太赫兹波。电光开关是在电压的作用下控制光传输过程中的开和关状态，而电压之所以能够起到这种作用，主要是因为电光开关所选用的材料是具有电光效应的材料。晶体本身具有折射率，所谓的电光效应就是，当外加电压作用于晶体上时，晶体的折射率会随外加电场强度的变化而发生变化。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种可以实现差频太赫兹产生及内调制太赫兹开关的器件，有机电光DAST晶体在被用作差频产生太赫兹波的同时，还可以利用其电光效应实现控制太赫兹波的输出，能够实现太赫兹波传输的开/关功能。本实用新型利用非线性光学共线差频原理和O类相位匹配，在非线性DAST晶体中产生宽调谐范围、高输出峰值功率的准连续太赫兹波，在有机非线性电光DAST晶体用作差频产生太赫兹波的同时，对太赫兹波的通断进行电调制，从而得到一种可以进行内调制的太赫兹波开关器件。本实用新型太赫兹内调制开关器件结构简单，尺寸小，制作方便，便于集成，调制速度快，调制效率高，并可以满足太赫兹波技术在通信、雷达等方面的应用需求。
[0005]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，包括太赫兹开关调制器，所述太赫兹开关调制器由有机非线性电光DAST晶体和相对称的设置在有机非线性电光DAST晶体两侧端面的金属电极构成，其中一侧端面的金属电极连接有由可调谐电阻器和可调谐电容器并联构成的输入匹配电路，另一侧端面的金属电极接电源地。
[0007]所述有机非线性电光DAST晶体的结构尺寸为长、宽、高分别为10mm、l-2mm和10mm。
[0008]所述金属电极的厚度为500nm-1000nm。
[0009]所述金属电极由金、银、铂或铝金属构成。
[0010]所述可调谐电阻器的调节范围为O-1MΩ。
[0011]所述可调谐电容器的调节范围为0-1F。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是:
[0013]1.本实用新型将太赫兹差频产生和太赫兹开关调制集成在有机非线性电光DAST晶体，通过输入匹配电路产生外部调制信号对该调制器件进行调控，可对太赫兹波的开关特性进行灵活的控制，开关的状态是瞬时的，关闭外部调制信号后，该器件将恢复到原来的状态。
[0014]2.在有机非线性电光DAST晶体中产生宽调谐范围、高输出峰值功率的准连续太赫兹波的同时，有机非线性电光DAST晶体本身能够作为太赫兹开关，具有响应速度快、干扰小、加工简单、减少损耗。
[0015]3.该器件可用于太赫兹产生的系统中，并能够在室温下稳定运转，最终实现宽调谐的太赫兹开关器件，可广泛应用于通信技术、生物医学成像、高分辨光谱分析、材料检测及医疗诊断等领域。
【附图说明】
[0016]图1为有机非线性电光DAST晶体的晶轴和介质轴示意图。
[0017]图2为本实用新型装置结构示意图。
[0018]附图标记:1_有机非线性电光DAST晶体2-金属电极3-可调谐电阻器4-可调谐电容器
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
[0020]以下视图中出现的X1轴、X2轴和X3轴分别为空间直角坐标系对应的坐标轴。
[0021 ] 一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，包括太赫兹开关调制器，所述太赫兹开关调制器由有机非线性电光DAST晶体I和相对称的设置在有机非线性电光DAST晶体I两侧端面的金属电极2构成，其中一侧端面的金属电极2连接有由可调谐电阻器3和可调谐电容器4并联构成的输入匹配电路，另一侧端面的金属电极2接地;输入匹配电路可以将直流电压和调制电压信号叠加在金属电极2上，给有机非线性电光DAST晶体I提供调制电压信号，以此来实现太赫兹开关功能。
[0022]使用有机非线性电光DAST晶体材料，沿晶体的3个晶向a，b，c切片，得到长、宽、高分别为I Omm、1-2mm和I Omm的DAST晶片。可以利用有机非线性电光DAST晶体的二阶非线性光学效应，在DAST晶体中通过光学差频技术产生太赫兹波。同时，由于有机非线性电光DAST晶体的电光效应，通过调整电压Vd，改变完全共线相位匹配条件，可以控制太赫兹波的产生与否，从而达到太赫兹开关的目的。
[0023]晶轴为具有光学异构的双折射晶体中的方向(在该方向中，折射率恒定，即使非偏振光入射也不出现双折射，并且普通光线与异常光线重合)，介质轴为普通光线与异常光线的偏离处于最小的方向。如图1所示，非线性光学晶体的光轴可以根据晶体的折射率和晶体结构来唯一确定。图1例示了电光DAST晶体的晶轴和介质轴。针对晶轴和介质轴的标识，可以通过测量折射率的方法(诸如测量吸收系数并计算克雷默斯-克朗尼(Kramers-Kronig)关系的方法)来标识。还可以通过利用晶体结构分析根据分子取向来确定晶轴和介质轴的方法进行标识。这些晶轴和介质轴还可以通过在任意条件下将电磁场直接照射到晶体上并且标识使特性最大化的方向来以实验方式标识。而且，取决于该晶体，存在可以通过晶体惯态可视地标识晶轴和介质轴的晶体，所以也可以进行可视标识。
[0024]金属电极2相对应的镀在有机非线性电光DAST晶体I的两个端面，为了提供良好的导电性能，金属电极2的材料选择金、银、铀、招等金属，金属电极厚度一般在500nm-1000nm，输入电压通过可调谐电阻器3和可调谐电容器4连接到一端的金属电极2上，金属电极2的另一端接电源地。
[0025]本实用新型的太赫兹波产生及内调制开关器件的原理及控制方法如下:
[0026](I)有机非线性电光DAST晶体可以同时实现太赫兹波差频产生和开关效应，当不在DAST晶体两侧的金属电极上施加电压信号时，有机非线性电光DAST晶体仅仅可以作为差频晶体使用;选择两束波长为&、&且频率差在太赫兹波段的两束入射波，将上述两束入射波同时入射至有机非线性电光DAST晶体中，当入射波的功率达到一定的强度值时，基于有机非线性电光DAST晶体的二阶或者三阶非线性效应可以差频产生太赫兹波λΤΗζ;
[0027](2)固定&的值，调节λ2的值，就可以得到带宽可调谐的太赫兹波λΤΗζ，在此过程中，波长为λι、λ2和λΤΗζ的三个波长所对应的波矢ki，k2，kTHZ满足完全共线相位匹配条件；
[0028](3)通过输入匹配电路给有机非线性电光DAST晶体施加一个直流电压信号Vd和调制电压信号时，利用DAST晶体的电光效应，以此来改变DAST晶体的折射率，从而使得波矢khkhkTHz不再满足完全共线相位匹配条件，从而影响太赫兹波输出，使得太赫兹的通断状态发生变化，实现太赫兹开关功能。
[0029]本实用新型专利的实施例如图2所示，在有机非线性电光DAST晶体I沿着X1的方向的两个端面上镀有金属薄膜构成金属电极2，金属薄膜可以选用金、银、铀、招等金属，金属电极厚度500nm-1OOOnm。输入信号匹配电路由可调谐电阻器3和可调谐电容器4组成，可调谐电阻器3的调节范围为0-1ΜΩ，可调谐电容器4的调节范围为0-1F，用于防止输入信号电压对太赫兹开关的破坏。
[0030]采用上述的太赫兹开关装置，实现太赫兹差频产生及开关效应的方法，具体包括以下过程:
[0031]在金属电极2上不施加电压时，由双波长栗浦光垂直入射到有机非线性电光DAST晶体I的表面，双波激光A1可以分别为1060nm、1360nm和2000nm的激光，相对应的激光入2的波长分别在1055-1065nm、1350-1365nm和2000-2100nm的范围内可以调谐输出。双波长栗浦光的偏振方向沿着DAST晶体^轴的方向。在DAST晶体中，把两束频率差在太赫兹波段的&和\2在二阶或三阶非线性效应下产生Athz(IAthz=IA1-1A2)c3在DAST晶体中互作用的三波波矢是共线的，属于O类相位匹配，在这个过程中，三个波长所对应的波矢、，k2，kTHz满足完全共线相位匹配条件:Δ k = k1-k2_kTHZ = 0，即ηιΙ^/λχ-Γ^?^/^-ητΗζ?^/λτΗζ =。。当在DAST晶体上施加电压信号时，在直流输入端a施加直流偏压Vd = O?500V，在电压开关信号输入端b施加一个调制电压信号(方波信号或者正弦信号)，直流电压与调制电压信号共同加载在金属电极2上来改变有机非线性电光DAST晶体I的晶轴折射率，从而会影响三波在DAST晶体中的折射率m、η#ΡητΗζ，从而使得波矢Iu，k2，kTHz不再满足完全共线相位匹配条件，即△ k判，这样就会影响太赫兹波输出，实现太赫兹的通断，达到太赫兹开关的作用。
[0032]本实用新型中，利用有机非线性电光DAST晶体I的非线性效应和电光效应，可以在差频产生太赫兹的同时实现太赫兹波的开关效应，而无需额外的开关器件，简化了开关控制的操作，减少了损耗;该器件中产生太赫兹波的开关输出可以通过控制调制电压信号进行控制，更适合于后续的应用研究。
[0033]以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，包括太赫兹开关调制器，所述太赫兹开关调制器由有机非线性电光DAST晶体和相对称的设置在有机非线性电光DAST晶体两侧端面的金属电极构成，其中一侧端面的金属电极连接有由可调谐电阻器和可调谐电容器并联构成的输入匹配电路，另一侧端面的金属电极接电源地。2.根据权利要求1所述的一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，所述有机非线性电光DAST晶体的结构尺寸为长、宽、高分别为10mm、l-2mm和10mm。3.根据权利要求1所述的一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，所述金属电极的厚度为500nm-1000nmo4.根据权利要求1或3所述的一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，所述金属电极由金、银、铂或铝金属构成。5.根据权利要求1所述的一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，所述可调谐电阻器的调节范围为O-1MΩ。6.根据权利要求1所述的一种基于DAST晶体太赫兹波的内调制开关器件，其特征在于，所述可调谐电容器的调节范围为0-1F。
【文档编号】G02F1/03GK205427369SQ201620215487
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】徐德刚, 严德贤, 王与烨, 钟凯, 闫超, 刘鹏翔, 石嘉, 姚建铨
【申请人】天津大学