微腔结构太赫兹波纹波导中横纵模局域化效应的调控与机理研究

针对太赫兹(THz)功能器件中模式场调控匮乏的难题，研究人员通过激光刻蚀技术构建带微腔的波纹波导结构，首次在第二布拉格带隙中发现双峰缺陷态，揭示了横/纵腔模局域化机理。通过微腔几何参数调控实现了模式峰的可控移动与合并，为THz滤波器、传感器等器件设计提供了新思路。

　　

在电磁波谱中占据特殊位置的太赫兹(THz)辐射，因其独特的穿透性、安全性和光谱分辨率，已成为通信、医疗成像等领域的研究热点。然而，随着THz技术的快速发展，功能性器件的需求与日俱增，特别是对电磁模式进行精确调控的器件仍极为稀缺。虽然激光刻蚀技术为加工THz器件提供了有效手段，但如何在波导中实现多模式局域化调控仍是一个亟待解决的难题。

针对这一挑战，广西无线宽带通信与信号处理重点实验室（Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing）的研究团队创新性地提出了一种带有微腔结构的THz波纹平板波导设计方案。通过在周期性波纹结构中引入十字形微腔缺陷，首次在第二布拉格带隙中观测到双峰缺陷态，并揭示其源于横/纵腔模局域化的协同作用。相关研究成果发表在《Optics and Lasers in Engineering》上，为THz功能器件的模式调控提供了全新思路。

研究团队主要采用有限元法(FEM)进行数值模拟，结合激光烧蚀技术加工硅片波导结构，通过THz时域光谱系统测试传输特性。通过系统改变微腔宽度(w)和高度(h)参数，实现了对模式共振峰的精确调控，并利用电场分布分析验证了模式局域化机理。

Bandgaps of corrugated waveguides
研究表明，周期性波纹平板波导可产生布拉格带隙，而微腔的引入会破坏结构周期性形成缺陷态。与传统单峰缺陷态不同，在第二带隙中意外发现了双传输峰现象。

Double-peak defect state
当微腔参数w=580μm、h=290μm时，第二带隙出现显著的双峰结构。电场分布分析表明，0.42THz峰对应纵向模式局域化，0.46THz峰则源于横向模式局域化。

Cavity mode manipulation
改变微腔尺寸可调控双峰行为：增大w使双峰先靠近合并再分离，且横模频移更敏感；增加h则导致双峰同步红移。这种交叉频移特性为模式选择性调控奠定了基础。

Device fabrication and testing
基于硅片的激光刻蚀加工验证了仿真结果，三通道波导测试清晰观测到横/纵模的交叉频移现象，实测数据与仿真结果高度吻合。

Conclusion
该研究不仅首次在THz波纹波导中实现了横/纵模的协同局域化，还通过微腔几何参数创新性地实现了双峰缺陷态的动态调控。Ya-Yun Zhang等人提出的十字形微腔设计，突破了传统缺陷态仅产生单模局域化的限制，为开发多模式THz滤波器、高灵敏度传感器等器件开辟了新途径。特别是发现的模式交叉频移规律，为THz集成器件的功能设计提供了重要理论依据。这些发现有望推动THz通信系统和生物医学检测设备的性能提升。