隔离器的性能主要由两个方面来决定：一是正向传输时的透过率T正,高的正向透过率意味着低的插入损耗;二是反向波的透过率T反与正向波透过率之比,即隔离度,表示为Iso=-10lg(T反/T正),反向波越小、正向波越大,则隔离度越大,器件的单向传输能力越强。
这里利用FEM计算MMSPW的正向与反向传输光谱,并以此计算隔离度,如图7.28所示。以195 K温度和1 T外磁场时的谱线为例分析,图7.28(a)中的传输谱线与图7.26(a)中的带隙结构很好地吻合。对于正向波,在1.18~1.28 THz处有一个高透过率通带,最大透过率为95%,对应模式3的频带。正向波和反向波在1.12 THz和1.38 THz处都有透过率较低的通带,对应着模式2和模式4,其他频率为禁带。图7.28(b)显示出反向波在1~1.5 THz频段内的透过率都很低。图7.28(c)显示了器件的隔离度谱线,30 dB隔离度带宽超过了80 GHz,而其中最大隔离度高达90 dB,插入损耗小于5%,可以很好地实现单向传输功能。
图7.28 在195 K温度下,不同外磁场时MMSPW的透过率和隔离度[7]
(a)正向传输光谱;(b)反向传输光谱;(c)隔离度
如图7.28(a)所示,随着外场强度的增加,传输光谱的通带向低频移动,带宽增大。相应地,当磁场从0.6 T增大到1.6 T,隔离度谱线的中心频率从1.44 THz移动到0.92 THz,如图7.28(c)所示。在这一过程中,隔离度谱线的带宽基本保持80 GHz不变,而最大隔离度随着磁场增加而增加。图7.29显示了器件在不同频率处的单向传输的稳态电场分布。对于1.2 THz,正向波可以通过,反向波不能通过,这是由表面磁等离子体模式3的非互易传输特性决定的;对于1.3 THz,正向波和反向波都不能通过,这是由MMSPW的光子禁带决定的。
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图7.29 在195 K温度和1 T磁场下,不同传输方向和频率的THz波入射MMSPW时的稳态电场分布[7]
(a)正向波,1.2 THz;(b)反向波,1.2 THz;(c)正向波,1.3 THz;(d)反向波,1.3 THz
下面进一步介绍在固定工作频率时外磁场和工作温度对器件传输性能的影响。首先,图7.30(a)显示了195 K下0.8~1.4 THz频率时透过率随外磁场变化的关系。随着磁场的增加,透过率升高达到峰值,不同频率下的正向透过率峰对应的磁场是不同的,工作频率越低对应达到最大隔离度峰值的外磁场将越大。随着磁场进一步增加,正、反向透过率达到一个恒定值,因为根据图7.3(a)和图7.3(b)可以知道,一个更大的外磁场在THz波段不会对InSb的介电性质产生影响。
其次,图7.30(b)显示了器件对1.2 THz入射波在0~4 T外磁场下的透过率随温度变化的关系。而根据图7.3(c)和图7.3(d)的分析结果,可知160~220 K工作温度是合理的范围。从图7.30(b)可以看出,低的工作温度能使器件在更小的磁场强度下达到最大的隔离度。当温度接近于室温时,需要一个很大的外磁场才能使器件工作。因此,外磁场和工作温度都强烈地影响着MMSPW的单向传输性能,也可以说隔离器的工作频带可以通过外磁场和温度来进行控制。
图7.30
(a)在195 K和不同频率下,THz波的透过率随磁场的变化谱线;(b)器件对1.2 THz入射波在不同外磁场下的透过率随温度的变化谱线[7]
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