可調(diào)諧太赫茲磁控光開關的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，是一種具有周期起伏結構的圓柱狀波導，由內(nèi)向外共有三層，分別是內(nèi)層填充向列型液晶E7，中間層為高密度聚乙烯化合物(對填充液晶的波導進行封口)，外層為低損耗金屬。波導的周期波導壁的起伏高度ε＝0.1*r0(r0為周期起伏結構圓柱狀波導的平均半徑)，高密度聚乙烯層和低損耗金屬層的厚度均為1μm。本發(fā)明是利用磁場對向列型液晶E7的折射率的改變來實現(xiàn)波導發(fā)生非布拉格效應頻段的調(diào)控，從而起到開關的作用。本發(fā)明所提供的可調(diào)諧太赫茲磁控光開關制備工藝簡單、操作方便、性能穩(wěn)定，而且開關速度快、體積小、易于集成、可調(diào)諧范圍寬，因此具有較高的科學意義及應用價值。
【專利說明】
可調(diào)諧太赫茲磁控光開關
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲波可控功能器件，尤其涉及一種可調(diào)諧太赫茲磁控光開 關，屬于太赫茲波科學與技術領域。
【背景技術】
[0002] 太赫茲波通常是指頻率為0.1~ΙΟΤΗζ之間的電磁波，在電磁波譜中介于微波和紅 外輻射之間，具有兩者所不具備的獨特特性，在安全檢查、軍事雷達和醫(yī)學成像等多個領域 展示出廣泛的應用前景，尤其是在通信方面，太赫茲通信與微波通信相比具有傳輸帶寬寬、 天線尺寸小和抗干擾能力強等優(yōu)點，適合短距離高速度通信、空間通信和軍事保密通信等 領域，而太赫茲光開關是太赫茲通信的關鍵器件之一，對其研究有著重要的意義。
[0003] 目如報道中，太赫茲光開關有基于光子晶體的太赫茲光開關，基于娃波導、新型電 磁材料和具有相變性質(zhì)的金屬氧化物材料制成的THz光開關，基于布拉格光纖結構的THz光 開關。例如2007年Willie J.Padilla在"Optics Letters"發(fā)表文章"Ultrafast optical switching of terahertz metamaterials fabricated on ErAs/GaAs nanoisland superlattices" ；2010年天津大學的胡明等人發(fā)明了一種THz波段氧化f凡光開關，實現(xiàn)了開 關速度快、插入損耗低、消光比高等;2014天津理工大學的高欣發(fā)表論文中設計了磁控太赫 茲布拉格光纖開關，改善了插入損耗較大的問題。上述太赫茲光開關制作工藝復雜，成本相 對較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了提供一種損耗小、結構簡單、性能調(diào)諧簡單、工作頻譜范圍寬 的可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，利用填充的向列型液晶E7對磁場的敏感性，通過改變磁場方 向而改變填充液晶的折射率，進而調(diào)控非布拉格禁帶所處頻段，因此實現(xiàn)可調(diào)諧太赫茲磁 控光開關。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括具有周期起伏結構的圓柱狀波導，所述圓柱狀 波導有內(nèi)至外依次設置液晶、高密度聚乙烯化合物層、低損耗金屬層，所述液晶是向列型液 晶E7。
[0006] 本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：
[0007] 1.所述周期起伏結構的圓柱狀波導的平均半徑Π)滿足：
[0009] 其中：/(m)是透射譜的中心頻率，m表示第m階橫向模式，是第m階Bessel函數(shù)的 零點，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，Λ是起伏結構的周期長度，c是光速；
[0010] 所述周期起伏結構的圓柱狀波導的起伏高度￡=〇.1打0。
[0011 ] 2.所述高密度聚乙稀層和低損耗金屬層均為Ιμπι。
[0012] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種可調(diào)諧太赫茲磁控光 開關，周期波導中填充對磁場敏感的向列型液晶E7,其工作頻譜范圍寬、性能調(diào)諧方便、損 耗小、結構簡單、成本較低且易于集成。也即本發(fā)明具有結構簡單、成本低廉的優(yōu)點;本發(fā)明 波導結構為完全的金屬結構，可以有效的防止外界的電磁輻射，而且內(nèi)層填充液晶和密封 材料在太赫茲波段損耗很低;本發(fā)明具有結構尺寸小的優(yōu)點，易于集成;本發(fā)明具有插入損 耗小、工作頻譜寬和壽命長的優(yōu)點。本發(fā)明利用的非布拉格共振的下降沿的位移來實現(xiàn)開 關功能，與布拉格共振對比其坡度更加陡峭，因此響應速度更快且其消光比遠遠超過其他 類型光開關。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的結構示意圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的Θ為〇°、45°和90°時，可調(diào)諧太赫茲磁控光開關的透射譜線圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0016] 實施方式：
[0017] 1、結合圖1，本發(fā)明提供的可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，是一種具有周期起伏結構的 圓柱狀波導，由內(nèi)向外共有三層，分別是內(nèi)層填充向列型液晶E7 1，中間層為高密度聚乙烯 化合物層2(對填充液晶的波導進行封口），外層為低損耗金屬層3。通過對外加磁場的調(diào)節(jié)， 改變填充向列型液晶分子的有效折射率進而調(diào)控非布拉格禁帶所處頻段，因此實現(xiàn)了磁控 開關功能。也即本發(fā)明的所述光開關由對磁場敏感的向列型液晶E7填充的具有周期起伏結 構的金屬波導組成，波導兩端由高密度的聚乙烯密封。波導所填充液晶為向列型液晶E7,這 類液晶材料在太赫茲波段具有高雙折射(雙折射系數(shù)大于0.15)、低損耗等特性，尤其是對 磁場變化敏感。用來封口的高密度聚乙烯等聚合物材料在太赫茲波段低損耗、低色散。
[0018] 2、所述具有起伏結構的周期結構的參數(shù)是由色散曲線中的非Bragg得到的：
[0020] 其中，ro是周期結構波導的平均半徑，i：(m)代表透射譜的中心頻率，m代表第m階橫 向模式，是第m階Bessel函數(shù)的零點，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，Λ是起伏結構 的周期長度。在周期結構波導中，由于周期狀起伏結構的存在，使得橫向模式之間會發(fā)生共 振，從而產(chǎn)生頻率禁帶。當m相同時是由相同橫向模式之間發(fā)生的共振被稱為布拉格共振， 產(chǎn)生布拉格禁帶。但是這里我們利用的是不同橫向模式之間發(fā)生共振形成的非布拉格禁 帶，即m=2，n = 0和m=l，n=l。得到的每個波導的半徑ri = r〇± ε(η = ；Γ()-ε稱為短半徑，r2 = ro+ε稱為長半徑；ε為周期波導壁的起伏高度），周期Λ與入射波的頻率、平均半徑等有關； 長半徑與短半徑部分的長度相同為Λ/2。
[0021] 本發(fā)明的波導的周期波導壁的起伏高度ε=0.1*π)，因此短半徑和長半徑分別是η = 249·3μπι和r2 = 304.7ym，周期長度為Λ =247μπι，周期個數(shù)為N=10,高密度聚乙烯和金層 厚度均為lym。
[0022]通過改變磁場方向而改變填充液晶的折射率，進而調(diào)控發(fā)生非布拉格禁帶所處頻 段，因此實現(xiàn)可調(diào)諧磁控太赫茲光開關。也即通過控制波導周圍的磁場方向，改變液晶分子 取向，使得液晶對入射線偏振太赫茲波的有效折射率改變，從而改變非布拉格禁帶的所處 頻帶位置實現(xiàn)開關的功能。這里，太赫茲波偏振方向與液晶分子取向的夾角為Θ，所述液晶 有效折射率η ζ(θ)與夾角Θ的關系為：
[0024] 其中，~和η。為分別為向列型液晶Ε7的異常光和尋常光折射率。在波導外施加磁 場，其初始方向與波導軸向平行，而液晶的表面錨定能使得液晶分子也是沿著波導軸向排 列，此時磁場方向與入射線偏振太赫茲波的夾角θ = 0°。隨著磁場方向繞波導徑向旋轉時， 液晶分子的指向隨磁場方向改變，即磁場方向與入射線偏振太赫茲波的夾角Θ改變。在這一 過程中，隨著夾角Θ的增大，液晶的有效折射率逐漸增大，波導產(chǎn)生的非布拉格禁帶的位置 向低頻移動實現(xiàn)了磁控光開關的調(diào)諧。
[0025] 3、外層材料^是低損耗金屬一 Au，其厚度為Ιμπι，構成中空的圓柱狀矩形周期起伏 波導。中間材料η是聚合物材料一高密度聚乙烯，其厚度為Ιμπι，起到密封液晶的作用，太赫 茲波可以在高密度聚乙烯材料中低損耗、低色散傳輸。內(nèi)層填充材料是向列型液晶Ε7,其對 太赫茲波具有高雙折射、低損耗和低色散特性，并且對磁場敏感。改變磁場可以改變液晶分 子的取向，從而改變液晶對入射線偏振太赫茲波的折射率，從而改變波導中非布拉格共振 的頻段位置，從而達到太赫茲磁控開關的效果。
[0026] 也即所述低損耗金屬層3,厚度為ra=lym，構成中空的圓柱狀變截面周期波導，并 在其中填充對太赫茲波高雙折射、低損耗傳輸且磁場敏感的向列型液晶E7。所述液晶填充 層短半徑和長半徑分別是ri = 249.3μηι和? = 304.7μηι，周期長度為Λ = 247μηι，周期個數(shù)為N = 10,在液晶與金屬波導壁之間還有η = 1μηι厚的高密度聚乙稀材料2,在太赫茲波段具有 低損耗低色散等特點，用來密封液晶。
[0027] 圖1是圓柱狀矩形周期起伏波導的結構示意圖，包括10個周期起伏結構。圖2給出 了磁場方向與入射線偏振太赫茲波的夾角Θ分別為0°、45°和90°時，太赫茲磁控開關的透射 譜帶結構。在波導外施加磁場，其初始方向與波導軸向平行，此時對于ΤΜ模，夾角Θ為〇°，液 晶的折射率為n。= 1.57。當磁場方向繞波導徑向旋轉改變方向時，夾角Θ增大，液晶折射率 增大，波導產(chǎn)生的非布拉格禁帶的位置向低頻移動。如夾角Θ為45°時，其非布拉格禁帶的下 沿所處頻率為0.615ΤΗζ。
[0028] 綜上所述，本發(fā)明利用利用磁場對液晶折射率的調(diào)控，實現(xiàn)太赫茲波磁控光開關 的可調(diào)諧，在相關領域具有很高的應用價值和廣闊的應用前景。
【主權項】
1. 可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，其特征在于:包括具有周期起伏結構的圓柱狀波導，所述 圓柱狀波導有內(nèi)至外依次設置液晶、高密度聚乙烯化合物層、低損耗金屬層，所述液晶是向 列型液晶E7。2. 根據(jù)權利要求1所述的可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，其特征在于:所述周期起伏結構的 圓柱狀波導的平均半徑r〇滿足：其中：/(m)是透射譜的中心頻率，m表示第m階橫向模式，是第m階Bessel函數(shù)的零點， β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，Λ是起伏結構的周期長度，c是光速； 所述周期起伏結構的圓柱狀波導的起伏高度e = 〇.l*r0。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的可調(diào)諧太赫茲磁控光開關，其特征在于:所述高密度聚乙 稀層和低損耗金屬層均為lMl。
【文檔編號】G02F1/29GK105866985SQ201610357321
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】陶智勇, 張鷺, 趙秋玉, 劉歡, 徐蘭蘭, 徐丹, 樊亞仙
【申請人】哈爾濱工程大學