一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于半导体填充的金属波导的慢波结构，包括均匀金属空芯波导管壁、空气隙以及填充锥形高折射率半导体介质条。本发明专利技术利用电磁波在高折射率半导体填充的波导结构传输时，空气间隙中能流方向与介质中能流方向相反的这种反常特性，通过合理选择波导结构参数使不同频率的电磁波在波导的相应部位实现空气中和半导体中平均能流值相近，从而电磁具有极低群速度。当电磁波入射到端口中沿波导传输时，其群速度逐渐降低、电磁波能量逐渐增强，直至与频率相应的特定部分，由于不同频率能达到的波导部分不同，这种结构同时实现了电磁波的分频、场约束及增强效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物理电子器件和太赫兹波器件领域，尤其涉及一种可用于低速电磁波与电子或其它物质相互作用的装置或器件中慢波结构。
技术介绍
慢波结构由于电磁波在其中传播时具有较慢的速度，电磁波与物质的作用大大增强，使慢波结构在微波和太赫兹波领域中的传感、放大、源及小型化器件等方面具有重要应用前景，如微波领域中慢波结构主要应用于行波放大器、粒子加速器等器件中。在一些楔形或锥形慢波结构中，导波的不同频率能在结构的不同部位停滞并增强，形成所谓的“约束彩虹”现象，这种特性在太赫兹及微波领域中调制器、滤波、波分复用、移相、传感及延时等重要的应用价值。目前，可应用于微波及太赫兹波领域中的慢波结构主要有波纹管或螺旋线结构的波导、耦合共振腔、光栅、人工复合电磁介质及表面等离子激元等结构。这些慢波结构大都需要引入精细的周期性结构或共振腔结构，这给慢波器件(特别是高频段电磁波器件)的制备带来困难，而周期结构的缺隙及工艺误差都会加大对电磁波的散射损耗，且耦合困难。虽然由左手介质等人工复合电磁介质构成的慢波波导结构不再需要周期性结构和共振腔结构，但其介质本身为周期性复合结构，制备极为困难而且对慢波有较大的损耗，使得这种具有理想慢波特性的结构难以实际制备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于半导体介质填充金属波导结构的高性能慢波结构。本专利技术结构简单、制备容易。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构，它包括金属波导管壁和金属波导管中的填充的锥形高折射率半导体介质。进一步地，导波在结构中传播时，其群速度随着导波的传输逐渐降低，并最终在某一部位停滞并反向耦合，且不同频率成分停滞部分并不相同。进一步地，所述金属波导管为形状是横截面为矩形、梯形、圆形或半圆形的空心柱体或空心台体。进一步地，填充半导体其形状是横截面为矩形、梯形、圆形或半圆形的柱体或台体，且其半导体与金属波导一壁面相接触或位于中心。进一步地，填充半导体介质材质为硅、砷化镓或锗。进一步地，所述的结构工作在微波及太赫兹波频段。与现有的慢波结构相比，本专利技术具有如下技术效果1、本专利技术的结构简单，制备容易。本专利技术没有采用周期结构或共振腔结构，也没有采用制备困难的左手介质等人工复合介质，本专利技术的慢波结构只是基于填充锥形介质半导体的金属波导这种简单结构，加工容易，解决了现有慢波结构的制备困难问题。2、本专利技术采用如硅、砷化镓等半导体对微波及太赫兹波的吸收很小，而且因为没有引入微结构，减小微结构加工所带来的散射损耗。此外，金属壁同样对微波及太赫兹波的吸收较小，因此，本专利技术的慢波结构的损耗特性要比现有的慢波结构要好。3、本专利技术的结构为锥形半导体介质条以及金属波导结构，这两者结构尺寸设计加工比光栅及左手介质等设计加工要容易得多，因此，本专利技术的慢波结构频率特性及慢波特性更容易设计和加工实现。4、通过把半导体加工成锥形结构，当电磁波沿波导传输时，其群速度逐渐降低、电磁波能量逐渐增强，直至与频率相应的特定部分，由于不同频率能达到的波导部分不同，即不同频率的电磁波会在沿波导不同部位停滞增强。因此这种结构同时具有的分频、场约束及增强效应等优异特性。附图说明图1是本专利技术的结构主视图及俯视图； 图2是本专利技术的色散图3是本专利技术另一实施例结构的图； 图4是本专利技术另一实施例结构中通入电磁波的场分布图。具体实施例方式本专利技术的原理是电磁波在高折射率介质填充的金属波导中传播时，其空气间隙中的能量传输存在反向传输的特殊现象。在这种波导中，空气间隙展现出与左手介质相类似的反常特性——即能量传输方向与电磁波的波矢方向相反。因此，这种波导结构中，通过选择合适的介质与金属波导尺寸比例，如果能使空气间隙中反向能流接近于介质中的正向能流，让电磁波就以极慢的群速度传播，即形成所谓的慢波。因此，用这种金属波导结构代替制备困难的左手介质或周期结构等介质可以实现性能优异、制备简单的慢波结构。本专利技术包括金属波导管壁和填充的锥形高折射率半导体介质具有慢波效应的结构。一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构，包括金属波导管壁、金属波导管中的填充的锥形高折射率半导体介质条。导波在结构中传播时，其群速度随着导波的传输逐渐降低，并最终在某一部位停滞并反向耦合，且不同频率成分停滞部分并不相同。金属波导管壁形状是横截面为矩形、梯形、圆形或半圆形的空心柱体或台体；其横截面尺寸约为导波波长的1/3 ^1/5左右，长度大于10倍波长的结构。金属波导管中内高折射率半导体条是横截面为矩形、梯形、圆形或半圆形的柱体 (当金属波导管为台体时)或台体(当金属波管为均勻的柱体时)。其材质为硅、砷化镓或锗条。半导体条位置或者与金属波导管内壁一面连接或者位于金属导波导管的中心位置不与内壁连接。本专利技术工作在微波及太赫兹波频段。下面结合附图和实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明显。实施例1 参照图1，一种基于半导体填充的金属波导结构的慢波波导，包括矩形金属波导管壁1、锥形半导体介质四棱台3及空气2构成。金属波导截面长宽分别80 和40 μπι。棱台形半导体介质高度力沿纵向方向不变，为16 # ，只有宽度力沿纵向方向变小，其材质为锗。其中A为电磁波的入射端口。本专利技术是一种在波导方向结构参数相同的渐变的锥形波导结构，而非周期性结构，本专利技术的结构要比其它慢波结构要简单许多。在本实施例中电磁波沿着波导结构传播时，在空气间隙层中传输的能流逐渐增大，即与半导体中的反向能流值逐渐接近，当两者相等时，导模具有零群速度，即停滞在相应部位，对于特定波长的入射波，波导此处具有最强的场强。图2，给出了本专利技术所示图1结构中锗介质长宽为 = 2h = 32fim处的色散图。由色散图可知，波长为0. 2092mm左右的会在此处增至最强，而长于此波长的电磁波不能传播至此处。实施例2 参照图3，一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构，包括圆形金属波导管壁1、 空气2及锥形砷化镓半导体条3构成。砷化镓半导体介质半径由纵向方向改变，R1=O. 23mm ,R2=O. 21mm, L= 12mm, R0=O. 4mm。电磁波从半导体宽度较宽的端口 J入射，沿着波导传播。由于端口附近半导体较宽，导波具有较大的群速度，随着导波的传播，空气中的平均能流与半导体中数值逐渐相近，导波群速度逐渐减小，电磁波能量逐渐聚集增强并在波导的相应部位增至最强，不同频率的电磁波会在波导结构的不同部分增强，参照图4，四种不同波长的入射波在波导不同部位增强(a) 2. 16mm, (b) 2. 14mm, (c) 2. 12mm, (d) 2.10mm。本专利技术这种结构可以应用于传感、滤波等应用。上述实施例用来解释说明本专利技术，而不是对本专利技术进行限制，在本专利技术的精神和权利要求的保护范围内，对本专利技术作出的任何修改和改变，都落入本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构，其特征在于，它包括金属波导管壁（１）和金属波导管中的填充的锥形高折射率半导体介质（３）。

【技术特征摘要】
1.一种基于半导体填充金属波导结构的慢波结构，其特征在于，它包括金属波导管壁 (1)和金属波导管中的填充的锥形高折射率半导体介质(3)。2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，导波在结构中传播时，其群速度随着导波的传输逐渐降低，并最终在某一部位停滞并反向耦合，且不同频率成分停滞部分并不相同。3.按权利要求1和2所述慢波结构，其特征在于，所述金属波导管为形状是横截面为矩形、梯形、圆形...

【专利技术属性】
技术研发人员：何金龙，李向军，汪伟，洪治，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：86