基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)研究.pdf

1、近年來，處于宏觀電子學(xué)到微觀電子學(xué)過渡區(qū)域的太赫茲波無疑是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。太赫茲波輻射源與檢測手段突飛猛進(jìn)的進(jìn)步促進(jìn)了相關(guān)功能器件的悄然興起。太赫茲波開關(guān)是一類十分重要的功能器件。在電磁反射過程中，實(shí)際反射的光相比于幾何光學(xué)反射點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)側(cè)向位移，這個(gè)側(cè)向位移被叫做古斯?jié)h欣位移。本文基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)中的古斯?jié)h欣位移設(shè)計(jì)了太赫茲波開關(guān)并進(jìn)行了理論計(jì)算及仿真驗(yàn)證：
　　1.設(shè)計(jì)了基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的溫度控制太赫茲波開關(guān)。開關(guān)由高折

2、射率的棱鏡和溫度控制薄膜層兩層材料組成。太赫茲波從棱鏡左側(cè)入射，在棱鏡右側(cè)固定一個(gè)太赫茲波探測器。薄膜材料為溫敏材料銻化銦（InSb），當(dāng)外界溫度改變時(shí)，InSb介電常數(shù)也隨之改變，影響棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)，進(jìn)而對古斯?jié)h欣位移的大小產(chǎn)生影響。當(dāng)頻率為0.857THz的TE波以45.78°入射到棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu)，在外界溫度為210K時(shí)，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，此時(shí)棱鏡右側(cè)的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，這種狀態(tài)可以

3、稱為太赫茲波開關(guān)“開”狀態(tài)。當(dāng)外界溫度降到200K時(shí)，反射太赫茲波產(chǎn)生2.785mm古斯?jié)h欣位移，此時(shí)棱鏡右側(cè)的太赫茲波探測器再也探測不到反射太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關(guān)“關(guān)”狀態(tài)。該開關(guān)的消光比可達(dá)24.3dB，可見該結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”功能。本章內(nèi)容已發(fā)表在2014年IEEE Photonics Technology Letters的第26期第21卷2162-2165頁。
　　2.設(shè)計(jì)了基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的磁控太赫茲

4、波開關(guān)。開關(guān)結(jié)構(gòu)由高折射率的棱鏡和磁場控制磁性材料镥鉍石榴石（LuBiIG）單晶薄膜組成。太赫茲波從棱鏡的左側(cè)入射，在棱鏡的右側(cè)固定一個(gè)太赫茲波探測器。磁性材料LuBiIG的電磁特性隨外加磁場的改變而改變，通過外加磁場改變磁性薄膜材料的介電常數(shù)，從而改變棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu)反射太赫茲波的反射系數(shù)，進(jìn)而對反射太赫茲波古斯?jié)h欣位移的大小產(chǎn)生影響。當(dāng)TE偏振波以42.68°入射到棱鏡-薄膜結(jié)構(gòu)，入射TE偏振波的頻率為太赫茲波通信頻段0.8571TH

5、z，磁性材料薄膜厚度為150μm。當(dāng)外加磁場B=0T時(shí)，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，此時(shí)棱鏡右側(cè)的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，這種狀態(tài)可以稱為太赫茲波開關(guān)“開”狀態(tài)；當(dāng)其他條件相同，外加磁場B=30.8T時(shí)，反射太赫茲波產(chǎn)生1.862mm古斯?jié)h欣位移，此時(shí)太赫茲波探測器探測不到反射的太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關(guān)“關(guān)”狀態(tài)；可見該結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了“開關(guān)”功能。計(jì)算得到該開關(guān)的消光比為17.12dB。
　

6、　3.設(shè)計(jì)了兩種不同的基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的電控太赫茲波開關(guān)。（1）基于液晶結(jié)構(gòu)的太赫茲波電控開關(guān)，該結(jié)構(gòu)由棱鏡-上電極矩形環(huán)-液晶-下電極組成，太赫茲波從棱鏡的左側(cè)入射，在棱鏡的右側(cè)固定一個(gè)太赫茲波探測器。上下電極加電場可以改變液晶的折射率從而改變結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)進(jìn)而影響反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移。當(dāng)入射0.857THzTM偏振波以30°入射到棱鏡/液晶結(jié)構(gòu)，無外加電場時(shí)，液晶的折射率為1.53，此時(shí)反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，棱鏡

7、右側(cè)的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，此種狀態(tài)可以稱為太赫茲波開關(guān)“開”狀態(tài)。當(dāng)外加一定電場使液晶的折射率變?yōu)?.75時(shí)，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移約為2.36mm，棱鏡右側(cè)的太赫茲波探測器探測不到反射的太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關(guān)“關(guān)”狀態(tài)，可見該結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了“開關(guān)”功能。（2）基于石墨烯結(jié)構(gòu)的太赫茲波電控開關(guān)，此開關(guān)結(jié)構(gòu)為棱鏡/石墨烯/SiO2/Si結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中石墨烯介質(zhì)層的下表面及Si介質(zhì)層的上表面分別作為