[发明专利]一种二维硅基太赫兹频域的光子晶体波导耦合器

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明属于光通信技术领域，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。

背景技术：

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。

发明内容：

本发明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。