本文關(guān)鍵詞：基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的太赫茲波開關(guān)研究

  更多相關(guān)文章： 太赫茲波 古斯?jié)h欣位移 棱鏡耦合結(jié)構(gòu) 開關(guān)

【摘要】：近年來,處于宏觀電子學(xué)到微觀電子學(xué)過渡區(qū)域的太赫茲波無疑是一個嶄新的研究領(lǐng)域。太赫茲波輻射源與檢測手段突飛猛進(jìn)的進(jìn)步促進(jìn)了相關(guān)功能器件的悄然興起。太赫茲波開關(guān)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(xué)反射點會經(jīng)歷一個側(cè)向位移,這個側(cè)向位移被叫做古斯?jié)h欣位移。本文基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)中的古斯?jié)h欣位移設(shè)計了太赫茲波開關(guān)并進(jìn)行了理論計算及仿真驗證:1.設(shè)計了基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的溫度控制太赫茲波開關(guān)。開關(guān)由高折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(cè)入射,在棱鏡右側(cè)固定一個太赫茲波探測器。薄膜材料為溫敏材料銻化銦(In Sb),當(dāng)外界溫度改變時,In Sb介電常數(shù)也隨之改變,影響棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù),進(jìn)而對古斯?jié)h欣位移的大小產(chǎn)生影響。當(dāng)頻率為0.857THz的TE波以45.78°入射到棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu),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(cè)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(guān)“開”狀態(tài)。當(dāng)外界溫度降到200K時,反射太赫茲波產(chǎn)生2.785mm古斯?jié)h欣位移,此時棱鏡右側(cè)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(guān)“關(guān)”狀態(tài)。該開關(guān)的消光比可達(dá)24.3d B,可見該結(jié)構(gòu)很好地實現(xiàn)“開關(guān)”功能。本章內(nèi)容已發(fā)表在2014年IEEE Photonics Technology Letters的第26期第21卷2162-2165頁。2.設(shè)計了基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的磁控太赫茲波開關(guān)。開關(guān)結(jié)構(gòu)由高折射率的棱鏡和磁場控制磁性材料镥鉍石榴石(Lu Bi IG)單晶薄膜組成。太赫茲波從棱鏡的左側(cè)入射,在棱鏡的右側(cè)固定一個太赫茲波探測器。磁性材料Lu Bi IG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(shù),從而改變棱鏡/薄膜結(jié)構(gòu)反射太赫茲波的反射系數(shù),進(jìn)而對反射太赫茲波古斯?jié)h欣位移的大小產(chǎn)生影響。當(dāng)TE偏振波以42.68°入射到棱鏡-薄膜結(jié)構(gòu),入射TE偏振波的頻率為太赫茲波通信頻段0.8571THz,磁性材料薄膜厚度為150μm。當(dāng)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(cè)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(guān)“開”狀態(tài);當(dāng)其他條件相同,外加磁場B=30.8T時,反射太赫茲波產(chǎn)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(guān)“關(guān)”狀態(tài);可見該結(jié)構(gòu)很好地實現(xiàn)了“開關(guān)”功能。計算得到該開關(guān)的消光比為17.12d B。3.設(shè)計了兩種不同的基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的電控太赫茲波開關(guān)。(1)基于液晶結(jié)構(gòu)的太赫茲波電控開關(guān),該結(jié)構(gòu)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(cè)入射,在棱鏡的右側(cè)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(jié)構(gòu)的反射系數(shù)進(jìn)而影響反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移。當(dāng)入射0.857THz TM偏振波以30°入射到棱鏡/液晶結(jié)構(gòu),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,棱鏡右側(cè)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(guān)“開”狀態(tài)。當(dāng)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(cè)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(guān)“關(guān)”狀態(tài),可見該結(jié)構(gòu)很好地實現(xiàn)了“開關(guān)”功能。(2)基于石墨烯結(jié)構(gòu)的太赫茲波電控開關(guān),此開關(guān)結(jié)構(gòu)為棱鏡/石墨烯/Si O2/Si結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)中石墨烯介質(zhì)層的下表面及Si介質(zhì)層的上表面分別作為上電極和下電極,當(dāng)上電極和下電極外加偏壓時可以改變石墨烯的介電常數(shù)從而改變結(jié)構(gòu)的反射太赫茲波的古斯?jié)h欣位移,實現(xiàn)開關(guān)的性能。此結(jié)構(gòu)得到的古斯?jié)h欣位移非常大可以達(dá)到入射波長的近250倍,且開關(guān)的響應(yīng)速度非常快,可達(dá)皮秒量級。本章節(jié)內(nèi)容已發(fā)表在2014年IEEE Photonics Journal第6期第6卷5900207。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲波 古斯?jié)h欣位移 棱鏡耦合結(jié)構(gòu) 開關(guān)
【學(xué)位授予單位】：中國計量學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH74
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 1 緒論15-21
• 1.1 太赫茲波簡介15-17
• 1.1.1 太赫茲波特性15-16
• 1.1.2 太赫茲波應(yīng)用16-17
• 1.2 太赫茲波開關(guān)研究進(jìn)展17-19
• 1.3 論文研究核心內(nèi)容及章節(jié)安排19-21
• 2 棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)研究的理論基礎(chǔ)21-26
• 2.1 古斯?jié)h欣位移定義21
• 2.2 古斯?jié)h欣位移理論研究方法21-24
• 2.3 棱鏡耦合結(jié)構(gòu)24-25
• 2.4 小結(jié)25-26
• 3 基于溫控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)研究26-38
• 3.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計26
• 3.2 理論分析26-35
• 3.2.1 溫度可調(diào)材料銻化銦（In Sb）的電磁特性26-28
• 3.2.2 基于溫控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)的古斯?jié)h欣位移理論分析28-29
• 3.2.3 基于溫控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)在入射太赫茲波為TE偏振波時的古斯?jié)h欣位移29-32
• 3.2.4 基于溫控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)在入射太赫茲波為TM偏振波時的古斯?jié)h欣位移32-35
• 3.3 數(shù)值仿真及數(shù)據(jù)分析35-36
• 3.4 小結(jié)36-38
• 4 基于磁控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)研究38-45
• 4.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計38
• 4.2 理論分析38-43
• 4.2.1 磁場可調(diào)諧材料镥鉍石榴石（Lu Bi IG）的電磁特性38-39
• 4.2.2 磁控太赫茲波開關(guān)的理論分析39-43
• 4.3 數(shù)值仿真及數(shù)據(jù)分析43
• 4.4 小結(jié)43-45
• 5 基于電控介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)太赫茲波開關(guān)研究45-64
• 5.1 基于液晶介質(zhì)棱鏡耦合結(jié)構(gòu)電控太赫茲波開關(guān)研究45-54
• 5.1.1 開關(guān)結(jié)構(gòu)模型45-46
• 5.1.2 理論分析46-52
• 5.1.3 數(shù)值仿真及數(shù)據(jù)分析52-54
• 5.2 基于石墨烯介質(zhì)的棱鏡耦合結(jié)構(gòu)電控太赫茲波開關(guān)研究54-63
• 5.2.1 器件結(jié)構(gòu)模型54-55
• 5.2.2 石墨烯的電控電磁特性55-58
• 5.2.3 反射太赫茲波古斯?jié)h欣位移的理論分析58-63
• 5.3 小結(jié)63-64
• 6 總結(jié)64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 作者簡歷70-71

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本文編號：535688