一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器制造技术

本发明专利技术属于光通信技术领域，涉及一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；其结构体积小，稳定性强，光的耦合和传输效率高，加工技术成熟，可广泛应用于激光、非线性光学和太赫兹通讯领域。

A two-dimensional silicon based photonic crystal waveguide coupler in terahertz frequency domain

The invention belongs to the technical field of optical communication, photonic crystal waveguide coupler relates to a two-dimensional silicon terahertz frequency, the main structure includes input, output and transmission area, wherein the input area includes two-dimensional silicon, input coupling port, input, input element area gradient scattering region, scattering invariant input area scattering element element the input area gap, coupled microcavity and waveguide transmission input area, area including the transmission area of scatterer transmission area scattering element gap, coupled cavity waveguide transmission area and transmission area, output area including the output area and output area of scatterer scatterer space, output waveguide and the output port; the structure has the advantages of small volume, strong stability. Light coupling and high transmission efficiency, mature processing technology, can be widely used in laser, nonlinear optics and terahertz communication field.

【技术实现步骤摘要】
一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器
：本专利技术属于光通信
，涉及一种新型硅基光子晶体波导耦合器，特别是一种输入区带有提高耦合效率转换器的，并具有极好慢光效应、高效率稳定传输的，并且可实现多种功能的二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器。
技术介绍
：太赫兹波(THz，1012赫兹)具有很多优点：它穿透性强，能够低损耗透过电介质及非极性物体，使得它能够对硅和陶瓷等非透明介质透视成像；太赫兹波是浓烟、沙尘等低可见度情况下成像的理想光源，在火灾救护、沙漠、雾霾天气等场合具有广泛的应用前景；太赫兹波的相对能量较低，不会产生光致电离，可放心应用于生物样品的检测和旅客的安检等方面；太赫兹波光谱分辨力强，可以传输许多不同的光谱信息；太赫兹波还具有瞬态性、宽带性及相干性，可以很好地抑制远红外背景噪声的干扰，为通信载体提供保障、实现超高的测量信噪比等优点。因此，太赫兹技术作为一种崭新的迅速成长的科学引起了很多领域的瞩目，尤其是在物理学、化学、天文学、环境科学、气体探测、生物医学检测、通信等学科领域展示出巨大的应用前景。硅材料不仅对太赫兹透明，而且因为硅材料的相对折射率高(n＝3.5)，原料材料丰富，光电性能稳定性和可靠性高，加工工艺技术成熟，不含有毒元素，不对环境造成污染，市场接受程度高等因素，硅基的太赫兹波导被广泛采用。硅基的太赫兹频域光子晶体结构的另一优点是便于加工，现在硅结构加工的精度已达到20nm，而太赫兹的波长是300μm。现有硅基太赫兹频域的光子晶体波导结构有：多膜干涉波导、线缺陷波导、耦合腔波导、分束器、弯曲波导、定向耦合波导等等，这些波导结构对太赫兹的理论和应用研究起到了很重要的作用。但是现有的硅基光子晶体波导研究，多集中在光子晶体波导结构本身的功能单元和结构设计，存在的主要问题有：一是关于输入区耦合效率转换器方面的研究很少，其实硅基太赫兹频域的光子晶体波导设计的首要问题是将自由空间的太赫兹波耦合进波导(或光纤)中传输，这是提高太赫兹系统效率和稳定性的基础。由于太赫兹波较难耦合进入光子晶体平板波导，许多研究结果显示，其最终的传输效率不到70％，有的研究其最终的传输损耗甚至超过了6dB；二是没有很好地利用光子晶体结构的慢光特性，将慢光特性和降低太赫兹波导(或光纤)的传输损耗、实现宽带信息传输等内容结合起来。很多研究注重了功分器、滤波器和光开关的功能设计，其理论和实验结果也优于传统的波导结构，但多数结构都只利用了光子晶体结构的禁带特性，不仅没有用到光子晶体慢光效应特性，也没有注意结构的优化会对太赫兹波传输产生的影响。因此，寻求一种新型二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，充分利用和优化光子晶体结构的禁带特性和慢光效应，在其输入区提高太赫兹波耦合进波导中的效率和稳定性；并在其传输过程利用光子晶体结构的禁带和慢光等特性，优化结构和参数，实现太赫兹波导的低损耗传输。而且其输出区根据不同需求能实现效率高、结构灵活、功能多样的太赫兹波输出。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种带有能提高耦合效率转换器的，并具有结构的光子禁带和慢光效应、实现高效率稳定传输的，结构灵活、功能多样的二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，该光子晶体波导耦合器转换效率高、结构稳定、便于加工和规模生产，将光子晶体的禁带特性、慢光特性等特点应用于光子晶体波导耦合器的设计和优化。为了实现上述目的，本专利技术的主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；二维硅基的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区的中间为输入区波导，输入区波导的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元，输入区渐变散射元每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元的上端和右侧均设有输入区不变散射元，渐变散射元和不变散射元的晶格常数相同，输入区波导的两侧每侧不变散射元不少于8排；相邻的输入区渐变散射元和相邻的输入区不变散射元之间均形成输入区散射元间隙，输入区波导的两侧右部对称式设有输入区耦合腔，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基的输入区耦合端口，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元的区域，进而进入输入区耦合微腔并在输入区耦合微腔中聚集，最终耦合到输入区波导中，提高传输效率；输入区波导的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；传输区的左右两端中间位置均设有传输区波导，两个传输区波导之间设有传输区耦合腔，传输区波导两侧均设有由圆弓形或椭圆形构成的传输区散射元，相邻的传输区散射元之间形成传输区散射元间隙；太赫兹波由输入区波导进入传输区后，在传输区波导传播，而不能在两侧的传输区散射元和传输区散射元间隙中传播；输出区的右侧设有输出端口，用于汇聚太赫兹波，输出区根据实际需要设有2-5个缺少一行散射元的输出区波导，以实现传输信号的转向和分束，相邻的输出区散射元之间形成输出区散射元间隙，进入输出区的太赫兹波只能在输出区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗。本专利技术所述传输区为耦合腔波导类型或线性缺陷波导类型，传输区为耦合腔波导类型时，传输区耦合腔根据对慢光效应的需要设计为跟输入区耦合微腔相同或不同结构，个数为3-6个，此时太赫兹波只能通过传输区耦合腔和传输区波导传输；传输区为线缺陷波导类型时，没有传输区耦合腔，在输出区左侧设有输出区耦合腔，太赫兹波只通过传输区波导传输。本专利技术所述输出区波导能根据不同需求实现不同的功能，包括分束器、弯曲波导或定向耦合波导。本专利技术所述二维硅基采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为200-500μm，即为硅层厚度的1/5-2/3；太赫兹波源采用已有的市售产品。本专利技术所述输入区、传输区和输出区三部分都进行了创新设计和模拟：(1)输入区是带有能提高耦合效率的转换器，用于将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进波导中，它可以看作为是特殊线缺陷与耦合腔波导组成的转换器，包括输入端口、圆弓形或椭圆形散射元、散射元间隙、耦合腔和波导等部分组成；(2)传输区为线缺陷波导或耦合腔波导，其慢光波导功能已经通过结构和参数设计得到优化，它包括散射元、散射元间隙、传输波导等部分，而传输波导又可以设计为线缺陷波导或耦合腔波导等不同形式；(3)输出区则根据不同需求，实现不同的功能，它可以是分束器、弯曲波导或不同比例耦合波导等，但其基本构建单元还是散射元、散射元间隙、输出波导等部分。本专利技术所述输入区的输入功率损耗由公式(1)表示：其中，L表述损耗，Pin是输入功率，Pout为输出功率，dB为分贝数，由于分贝与功率损耗是指数关系，即L＝10dB时，功率损耗已是90％，输出功率Pout表示为公式(2)：Pout＝Pinexp(-L/10)(2)由此可见，减少耦合器的功率损耗是十分重要的，为了用于将波源发出的太赫兹波稳定、高效地耦合进波导中，本专利技术设计了输入新型的端口，采用了渐变结构，设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；二维硅基的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区的中间为输入区波导，输入区波导的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元，输入区渐变散射元每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元的上端和右侧均设有输入区不变散射元，渐变散射元和不变散射元的晶格常数相同，输入区波导的两侧每侧不变散射元不少于8排；相邻的输入区渐变散射元和相邻的输入区不变散射元之间均形成输入区散射元间隙，输入区波导的两侧右部对称式设有输入区耦合腔，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基的输入区耦合端口，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元的区域，进而进入输入区耦合微腔并在输入区耦合微腔中聚集，最终耦合到输入区波导中，提高传输效率；输入区波导的宽度可调，为晶格常数的1‑4倍；传输区的左右两端中间位置均设有传输区波导，两个传输区波导之间设有传输区耦合腔，传输区波导两侧均设有由圆弓形或椭圆形构成的传输区散射元，相邻的传输区散射元之间形成传输区散射元间隙；太赫兹波由输入区波导进入传输区后，在传输区波导传播，而不能在两侧的传输区散射元和传输区散射元间隙中传播；输出区的右侧设有输出端口，用于汇聚太赫兹波，输出区根据实际需要设有2‑5个缺少一行散射元的输出区波导，以实现传输信号的转向和分束，相邻的输出区散射元之间形成输出区散射元间隙，进入输出区的太赫兹波只能在输出区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散，以降低传输损耗。...

【技术特征摘要】
1.一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器，其特征在于主体结构包括输入区、传输区和输出区，其中输入区包括二维硅基、输入区耦合端口、输入区渐变散射元、输入区不变散射元、输入区散射元间隙、输入区耦合微腔和输入区波导，传输区包括传输区散射元、传输区散射元间隙、传输区耦合腔和传输区波导，输出区包括输出区散射元、输出区散射元间隙、输出区波导和输出端口；二维硅基的左侧中间位置设有由凸凹曲面组成的输入区耦合端口，输入区的中间为输入区波导，输入区波导的两侧靠近输入区耦合端口处设有由圆弓形或椭圆形构成的输入区渐变散射元，输入区渐变散射元每侧不少于6排，每行个数不少于8个；输入区渐变散射元的上端和右侧均设有输入区不变散射元，渐变散射元和不变散射元的晶格常数相同，输入区波导的两侧每侧不变散射元不少于8排；相邻的输入区渐变散射元和相邻的输入区不变散射元之间均形成输入区散射元间隙，输入区波导的两侧右部对称式设有输入区耦合腔，外接波源发出的太赫兹波由光纤先到达二维硅基的输入区耦合端口，大部分太赫兹波由凸面汇聚后，进入输入区波导向前传输；剩余太赫兹波由凹面散射，进入输入区有渐变散射元的区域，进而进入输入区耦合微腔并在输入区耦合微腔中聚集，最终耦合到输入区波导中，提高传输效率；输入区波导的宽度可调，为晶格常数的1-4倍；传输区的左右两端中间位置均设有传输区波导，两个传输区波导之间设有传输区耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：万勇，李长红，高竞，姜澄溢，徐胜，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37