基于棱鏡耦合結構的太赫茲波開關研究.pdf

1、近年來，處于宏觀電子學到微觀電子學過渡區(qū)域的太赫茲波無疑是一個嶄新的研究領域。太赫茲波輻射源與檢測手段突飛猛進的進步促進了相關功能器件的悄然興起。太赫茲波開關是一類十分重要的功能器件。在電磁反射過程中，實際反射的光相比于幾何光學反射點會經歷一個側向位移，這個側向位移被叫做古斯?jié)h欣位移。本文基于棱鏡耦合結構中的古斯?jié)h欣位移設計了太赫茲波開關并進行了理論計算及仿真驗證：
　　1.設計了基于棱鏡耦合結構的溫度控制太赫茲波開關。開關由高折

2、射率的棱鏡和溫度控制薄膜層兩層材料組成。太赫茲波從棱鏡左側入射，在棱鏡右側固定一個太赫茲波探測器。薄膜材料為溫敏材料銻化銦（InSb），當外界溫度改變時，InSb介電常數也隨之改變，影響棱鏡/薄膜結構的反射系數，進而對古斯?jié)h欣位移的大小產生影響。當頻率為0.857THz的TE波以45.78°入射到棱鏡/薄膜結構，在外界溫度為210K時，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，此時棱鏡右側的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，這種狀態(tài)可以

3、稱為太赫茲波開關“開”狀態(tài)。當外界溫度降到200K時，反射太赫茲波產生2.785mm古斯?jié)h欣位移，此時棱鏡右側的太赫茲波探測器再也探測不到反射太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關“關”狀態(tài)。該開關的消光比可達24.3dB，可見該結構很好地實現“開關”功能。本章內容已發(fā)表在2014年IEEE Photonics Technology Letters的第26期第21卷2162-2165頁。
　　2.設計了基于棱鏡耦合結構的磁控太赫茲

4、波開關。開關結構由高折射率的棱鏡和磁場控制磁性材料镥鉍石榴石（LuBiIG）單晶薄膜組成。太赫茲波從棱鏡的左側入射，在棱鏡的右側固定一個太赫茲波探測器。磁性材料LuBiIG的電磁特性隨外加磁場的改變而改變，通過外加磁場改變磁性薄膜材料的介電常數，從而改變棱鏡/薄膜結構反射太赫茲波的反射系數，進而對反射太赫茲波古斯?jié)h欣位移的大小產生影響。當TE偏振波以42.68°入射到棱鏡-薄膜結構，入射TE偏振波的頻率為太赫茲波通信頻段0.8571TH

5、z，磁性材料薄膜厚度為150μm。當外加磁場B=0T時，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，此時棱鏡右側的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，這種狀態(tài)可以稱為太赫茲波開關“開”狀態(tài)；當其他條件相同，外加磁場B=30.8T時，反射太赫茲波產生1.862mm古斯?jié)h欣位移，此時太赫茲波探測器探測不到反射的太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關“關”狀態(tài)；可見該結構很好地實現了“開關”功能。計算得到該開關的消光比為17.12dB。
　

6、　3.設計了兩種不同的基于棱鏡耦合結構的電控太赫茲波開關。（1）基于液晶結構的太赫茲波電控開關，該結構由棱鏡-上電極矩形環(huán)-液晶-下電極組成，太赫茲波從棱鏡的左側入射，在棱鏡的右側固定一個太赫茲波探測器。上下電極加電場可以改變液晶的折射率從而改變結構的反射系數進而影響反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移。當入射0.857THzTM偏振波以30°入射到棱鏡/液晶結構，無外加電場時，液晶的折射率為1.53，此時反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移幾乎為零，棱鏡

7、右側的太赫茲波探測器可以探測到反射的太赫茲波，此種狀態(tài)可以稱為太赫茲波開關“開”狀態(tài)。當外加一定電場使液晶的折射率變?yōu)?.75時，反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移約為2.36mm，棱鏡右側的太赫茲波探測器探測不到反射的太赫茲波，這種情況可以作為太赫茲波開關“關”狀態(tài)，可見該結構很好地實現了“開關”功能。（2）基于石墨烯結構的太赫茲波電控開關，此開關結構為棱鏡/石墨烯/SiO2/Si結構，此結構中石墨烯介質層的下表面及Si介質層的上表面分別作為