【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太赫兹通信领域，具体涉及一种太赫兹时域微分器。
技术介绍
1、太赫兹波广义上是指频率在0.1thz～10thz的电磁波，恰好位于电子学和光子学的过渡区，因此具有很多独特的性质。太赫兹通信因其能够在不同场景下实现创新而备受关注。与毫米波段通信相比，太赫兹波段能够支持更高的数据速率。与光通信相比，太赫兹通信系统在室外通信中对大气效应不敏感，在室内通信中比光频段更容易跟踪波束。仿照电子电路和光通信，发展太赫兹通信离不开例如瞬时积分器、时域微分器、希尔伯特变换器等基本模块。
2、太赫兹时域微分器是执行太赫兹信号数学运算的关键所在，在脉冲产生、脉冲整形、微分方程求解等方面有重要应用。现有的时域微分器一般存在以下几点问题，第一：无法应用在太赫兹波段；第二，微分功能的实现往往是依靠多个分立的光学元件的简易组装，缺乏集成度；第三，信号是靠自由空间耦合进行输入与输出，这样带来的损耗较大。回音壁模式谐振腔因其模式体积小和品质因数高的优点，在光学和光电领域已经得到了长足的发展，被广泛应用于探测器、传感器、光开关等。回音壁模式谐振腔具有调制太赫兹波的功能，可以对特定频率的太赫兹信号进行时域微分处理。将回音壁模式的微环谐振腔进行片上集成制备成波导型微分功能芯片，可以有效解决传统的微分器集成度低的缺点。并且，将芯片封装成为微分器模块后，易于其他太赫兹系统部件结合，从而搭建成传输损耗更低、耦合效率更高的太赫兹时域微分系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种太赫兹时域微分器
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种太赫兹时域微分器，包括微分功能芯片和芯片封装盒，所述微分功能芯片包括回音壁模式微环波导、直波导、第一锥形耦合波导、第二锥形耦合波导和衬底，其中：
3、所述直波导位于回音壁模式微环波导的一侧，回音壁模式微环波导和直波导构成了单跑道型的回音壁模式微环谐振腔，对直波导传输的特定频率的太赫兹信号产生谐振并进行时域微分；所述第一、二锥形耦合波导位于直波导两端，分别作为太赫兹时域微分器的输入和输出端口；所述衬底用于集成制备回音壁模式微环波导、直波导和第一、二锥形耦合波导。
4、进一步的，所述微分功能芯片中的回音壁模式微环谐振腔的谐振频率根据公式f＝(mv)/(2πrneff)确定，其中m为回音壁模式数，代表太赫兹信号在回音壁模式微环波导中行进一周的相位移动的周期数；v为真空电磁波速度；r为回音壁模式微环波导的半径；neff为波导的有效折射率。
5、进一步的，定义l是太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导的损耗系数，定义t为直波导和回音壁模式微环波导之间的耦合损耗，当t＝l时，回音壁模式微环谐振腔工作在临界耦合状态，具备时域微分的功能。
6、进一步的，所述直波导的宽度和回音壁模式微环波导的宽度相等，直波导的高度和回音壁模式微环波导的高度相等，衬底的厚度小于直波导的高度，第一、二锥形耦合波导的高度等于直波导的高度和衬底的厚度之和，第一、二锥形耦合波导在直波导的延伸方向左右对称。
7、进一步的，所述直波导和回音壁模式微环波导的距离d由公式d＝λ2/(2παr)决定，其中λ为回音壁模式微环谐振腔临界耦合工作区域的中心波长，α为微环材料对太赫兹信号的吸收率，r为回音壁模式微环波导的半径。
8、进一步的，所述芯片封装盒采用上下腔体结构，上腔体为封盖，下腔体为载片盒，下腔体两边有金属矩形波导开口，开口向内延伸形成金属矩形波导通道并左右对称，封装时微分功能芯片放置在下腔体载片盒的中央，第一、二锥形耦合波导被插入到矩形波导通道中。
9、进一步的，所述芯片封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度大于太赫兹波信号的趋肤深度。
10、进一步的，第一、二锥形耦合波导(3，5)从俯视视角看为底边宽度和直波导宽度一致的等腰三角形，与底边相对的顶角角度由锥型波导长度决定，当直波导(2)的底边宽度确定时，锥形耦合波导的长度越长，角度越小。
11、进一步的，所述微分功能芯片通过微纳加工制备在衬底上，衬底材料为高阻硅、铌酸锂、二氧化硅或氮化镓。
12、进一步的，太赫兹信号通过金属矩形波导耦合到第一锥形耦合波导中，然后馈入回音壁模式微环，满足微分条件的太赫兹波会在微环波导中传输并被微分处理，最后经过耦合重新进入直波导，并通过第二锥形耦合波导输出。
13、本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)使用回音壁模式微环谐振腔作为微分功能芯片的核心，工作带宽更宽，微分能量效率更高；2)构成微分功能芯片的回音壁模式微环、直波导、锥型耦合波导等结构均在同一基片上，相比于靠传统光学分立器件组装来实现微分功能，片上集成设计可以减小微分器的体积，增加整体的集成度，提高回音壁模式微环的耦合效率；3)微分功能芯片被封装成为时域微分器，使用锥型耦合波导作为信号的输入与输出端口，可以有效的与其他具有标准接口的太赫兹组件如法兰、太赫兹源、太赫兹探测器相连接，并大大减小传输损耗。
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1.一种太赫兹时域微分器，其特征在于，包括微分功能芯片和芯片封装盒，所述微分功能芯片包括回音壁模式微环波导(1)、直波导(2)、第一锥形耦合波导(3)、第二锥形耦合波导(5)和衬底(4)，其中：
2.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述微分功能芯片中的回音壁模式微环谐振腔的谐振频率根据公式f＝(mv)/(2πrneff)确定，其中m为回音壁模式数，代表太赫兹信号在回音壁模式微环波导(1)中行进一周的相位移动的周期数；v为真空电磁波速度；r为回音壁模式微环波导(2)的半径；neff为波导的有效折射率。
3.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，定义L是太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导(1)的损耗系数，定义t为直波导(2)和回音壁模式微环波导(1)之间的耦合损耗，当t＝L时，回音壁模式微环谐振腔工作在临界耦合状态，具备时域微分的功能。
4.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述直波导(2)的宽度和回音壁模式微环波导(1)的宽度相等，直波导(2)的高度和回音壁模式微环波导(1)的高度相等，衬底(4)的厚度
5.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述直波导(2)和回音壁模式微环波导(1)的距离d由公式d＝λ2/(2παr)决定，其中λ为回音壁模式微环谐振腔临界耦合工作区域的中心波长，α为微环材料对太赫兹信号的吸收率，r为回音壁模式微环波导(1)的半径。
6.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述芯片封装盒采用上下腔体结构，上腔体为封盖，下腔体为载片盒，下腔体两边有金属矩形波导开口，开口向内延伸形成金属矩形波导通道并左右对称，封装时微分功能芯片放置在下腔体载片盒的中央，第一、二锥形耦合波导(3，5)被插入到矩形波导通道中。
7.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述芯片封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度大于太赫兹波信号的趋肤深度。
8.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，第一、二锥形耦合波导(3，5)从俯视视角看为底边宽度和直波导宽度一致的等腰三角形，与底边相对的顶角角度由锥型波导长度决定，当直波导(2)的底边宽度确定时，锥形耦合波导的长度越长，角度越小。
9.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述微分功能芯片通过微纳加工制备在衬底上，衬底材料为高阻硅、铌酸锂、二氧化硅或氮化镓。
10.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，太赫兹信号通过金属矩形波导耦合到第一锥形耦合波导(3)中，然后馈入回音壁模式微环(1)，满足微分条件的太赫兹波会在微环波导中传输并被微分处理，最后经过耦合重新进入直波导，并通过第二锥形耦合波导(5)输出。
...【技术特征摘要】
1.一种太赫兹时域微分器，其特征在于，包括微分功能芯片和芯片封装盒，所述微分功能芯片包括回音壁模式微环波导(1)、直波导(2)、第一锥形耦合波导(3)、第二锥形耦合波导(5)和衬底(4)，其中：
2.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述微分功能芯片中的回音壁模式微环谐振腔的谐振频率根据公式f＝(mv)/(2πrneff)确定，其中m为回音壁模式数，代表太赫兹信号在回音壁模式微环波导(1)中行进一周的相位移动的周期数；v为真空电磁波速度；r为回音壁模式微环波导(2)的半径；neff为波导的有效折射率。
3.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，定义l是太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导(1)的损耗系数，定义t为直波导(2)和回音壁模式微环波导(1)之间的耦合损耗，当t＝l时，回音壁模式微环谐振腔工作在临界耦合状态，具备时域微分的功能。
4.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述直波导(2)的宽度和回音壁模式微环波导(1)的宽度相等，直波导(2)的高度和回音壁模式微环波导(1)的高度相等，衬底(4)的厚度小于直波导(2)的高度，第一、二锥形耦合波导(3，5)的高度等于直波导(2)的高度和衬底(4)的厚度之和，第一、二锥形耦合波导(3，5)在直波导的延伸方向左右对称。
5.根据权利要求1所述的太赫兹时域微分器，其特征在于，所述直波导(2)和回音壁模式微环波导(1)的距离d由公式d＝λ2/(...
【专利技术属性】
技术研发人员：涂学凑，芮云杰，周淑宇，赵清源，贾小氢，张蜡宝，康琳，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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