基于棱镜耦合结构的太赫兹波开关研究

发布时间：2017-07-08 18:08

  本文关键词：基于棱镜耦合结构的太赫兹波开关研究

  更多相关文章： 太赫兹波 古斯汉欣位移 棱镜耦合结构 开关

【摘要】：近年来,处于宏观电子学到微观电子学过渡区域的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域。太赫兹波辐射源与检测手段突飞猛进的进步促进了相关功能器件的悄然兴起。太赫兹波开关是一类十分重要的功能器件。在电磁反射过程中,实际反射的光相比于几何光学反射点会经历一个侧向位移,这个侧向位移被叫做古斯汉欣位移。本文基于棱镜耦合结构中的古斯汉欣位移设计了太赫兹波开关并进行了理论计算及仿真验证:1.设计了基于棱镜耦合结构的温度控制太赫兹波开关。开关由高折射率的棱镜和温度控制薄膜层两层材料组成。太赫兹波从棱镜左侧入射,在棱镜右侧固定一个太赫兹波探测器。薄膜材料为温敏材料锑化铟(In Sb),当外界温度改变时,In Sb介电常数也随之改变,影响棱镜/薄膜结构的反射系数,进而对古斯汉欣位移的大小产生影响。当频率为0.857THz的TE波以45.78°入射到棱镜/薄膜结构,在外界温度为210K时,反射太赫兹波的古斯汉欣位移几乎为零,此时棱镜右侧的太赫兹波探测器可以探测到反射的太赫兹波,这种状态可以称为太赫兹波开关“开”状态。当外界温度降到200K时,反射太赫兹波产生2.785mm古斯汉欣位移,此时棱镜右侧的太赫兹波探测器再也探测不到反射太赫兹波,这种情况可以作为太赫兹波开关“关”状态。该开关的消光比可达24.3d B,可见该结构很好地实现“开关”功能。本章内容已发表在2014年IEEE Photonics Technology Letters的第26期第21卷2162-2165页。2.设计了基于棱镜耦合结构的磁控太赫兹波开关。开关结构由高折射率的棱镜和磁场控制磁性材料镥铋石榴石(Lu Bi IG)单晶薄膜组成。太赫兹波从棱镜的左侧入射,在棱镜的右侧固定一个太赫兹波探测器。磁性材料Lu Bi IG的电磁特性随外加磁场的改变而改变,通过外加磁场改变磁性薄膜材料的介电常数,从而改变棱镜/薄膜结构反射太赫兹波的反射系数,进而对反射太赫兹波古斯汉欣位移的大小产生影响。当TE偏振波以42.68°入射到棱镜-薄膜结构,入射TE偏振波的频率为太赫兹波通信频段0.8571THz,磁性材料薄膜厚度为150μm。当外加磁场B=0T时,反射太赫兹波的古斯汉欣位移几乎为零,此时棱镜右侧的太赫兹波探测器可以探测到反射的太赫兹波,这种状态可以称为太赫兹波开关“开”状态;当其他条件相同,外加磁场B=30.8T时,反射太赫兹波产生1.862mm古斯汉欣位移,此时太赫兹波探测器探测不到反射的太赫兹波,这种情况可以作为太赫兹波开关“关”状态;可见该结构很好地实现了“开关”功能。计算得到该开关的消光比为17.12d B。3.设计了两种不同的基于棱镜耦合结构的电控太赫兹波开关。(1)基于液晶结构的太赫兹波电控开关,该结构由棱镜-上电极矩形环-液晶-下电极组成,太赫兹波从棱镜的左侧入射,在棱镜的右侧固定一个太赫兹波探测器。上下电极加电场可以改变液晶的折射率从而改变结构的反射系数进而影响反射太赫兹波的古斯汉欣位移。当入射0.857THz TM偏振波以30°入射到棱镜/液晶结构,无外加电场时,液晶的折射率为1.53,此时反射太赫兹波的古斯汉欣位移几乎为零,棱镜右侧的太赫兹波探测器可以探测到反射的太赫兹波,此种状态可以称为太赫兹波开关“开”状态。当外加一定电场使液晶的折射率变为1.75时,反射太赫兹波的古斯汉欣位移约为2.36mm,棱镜右侧的太赫兹波探测器探测不到反射的太赫兹波,这种情况可以作为太赫兹波开关“关”状态,可见该结构很好地实现了“开关”功能。(2)基于石墨烯结构的太赫兹波电控开关,此开关结构为棱镜/石墨烯/Si O2/Si结构,此结构中石墨烯介质层的下表面及Si介质层的上表面分别作为上电极和下电极,当上电极和下电极外加偏压时可以改变石墨烯的介电常数从而改变结构的反射太赫兹波的古斯汉欣位移,实现开关的性能。此结构得到的古斯汉欣位移非常大可以达到入射波长的近250倍,且开关的响应速度非常快,可达皮秒量级。本章节内容已发表在2014年IEEE Photonics Journal第6期第6卷5900207。
【关键词】：太赫兹波 古斯汉欣位移 棱镜耦合结构 开关
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 1 绪论15-21
• 1.1 太赫兹波简介15-17
• 1.1.1 太赫兹波特性15-16
• 1.1.2 太赫兹波应用16-17
• 1.2 太赫兹波开关研究进展17-19
• 1.3 论文研究核心内容及章节安排19-21
• 2 棱镜耦合结构太赫兹波开关研究的理论基础21-26
• 2.1 古斯汉欣位移定义21
• 2.2 古斯汉欣位移理论研究方法21-24
• 2.3 棱镜耦合结构24-25
• 2.4 小结25-26
• 3 基于温控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关研究26-38
• 3.1 器件结构设计26
• 3.2 理论分析26-35
• 3.2.1 温度可调材料锑化铟（In Sb）的电磁特性26-28
• 3.2.2 基于温控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关的古斯汉欣位移理论分析28-29
• 3.2.3 基于温控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关在入射太赫兹波为TE偏振波时的古斯汉欣位移29-32
• 3.2.4 基于温控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关在入射太赫兹波为TM偏振波时的古斯汉欣位移32-35
• 3.3 数值仿真及数据分析35-36
• 3.4 小结36-38
• 4 基于磁控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关研究38-45
• 4.1 器件结构设计38
• 4.2 理论分析38-43
• 4.2.1 磁场可调谐材料镥铋石榴石（Lu Bi IG）的电磁特性38-39
• 4.2.2 磁控太赫兹波开关的理论分析39-43
• 4.3 数值仿真及数据分析43
• 4.4 小结43-45
• 5 基于电控介质的棱镜耦合结构太赫兹波开关研究45-64
• 5.1 基于液晶介质棱镜耦合结构电控太赫兹波开关研究45-54
• 5.1.1 开关结构模型45-46
• 5.1.2 理论分析46-52
• 5.1.3 数值仿真及数据分析52-54
• 5.2 基于石墨烯介质的棱镜耦合结构电控太赫兹波开关研究54-63
• 5.2.1 器件结构模型54-55
• 5.2.2 石墨烯的电控电磁特性55-58
• 5.2.3 反射太赫兹波古斯汉欣位移的理论分析58-63
• 5.3 小结63-64
• 6 总结64-66
• 参考文献66-70
• 作者简历70-71

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