[发明专利]一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹无源滤波器技术，具体是一种二维光子晶体的低损耗、宽频带滤波器。

背景技术

太赫兹波介于毫米波和红外光之间，频率在0.1THz到10THz范围内，对应波长范围为3mm到30μm。目前，太赫兹波频段尚未被分配，可为未来的大容量高速通信提供巨大的宽频带资源。光子晶体是一种由不同折射率的电介质材料在空间里周期性排列而形成的新型光学微结构，其基本特性是具有光子带隙，光波落在带隙中是被禁止传播的；另一个特性是具有光子局域性，当在光子晶体中引入缺陷或介电无序时，将打破光子晶体原有的对称性和周期性，在光子带隙中会出现缺陷态，与缺陷态频率相吻合的光波将被局域在缺陷态内。基于光子晶体的优良特性，将光子晶体技术应用到太赫兹通信器件滤波器的设计中提供了新的设计渠道。

光子晶体滤波器普遍是由波导和谐振腔组成的平面耦合结构构成。由于波导和谐振腔之间存在反射波衰减、谐振波干扰相消等损耗因子，对光波的传播产生不利影响。在380GHz-438GHz频段范围内采用填充率渐变型光子晶体结构，使得波导的有效折射率缓慢变化，继而减小光波传播的反射损耗。光子晶体谐振腔是破坏光子晶体周期性的点缺陷结构，调整点缺陷的介电常数和尺寸以改变谐振腔的谐振频率和模式，提高太赫兹波和谐振腔之间的耦合效率，实现频段范围内的宽频带滤波。

在太赫兹波段，硅介质具有低吸收系数，基本上为0.04cm^-1，折射率约为3.42。用硅介质制作太赫兹器件的一个重要原因是硅技术是现在最先进的半导体技术，如MEMS的制作技术，可以满足太赫兹无源器件的精密要求。相比于介质硅材料，金属具有较大吸收损耗。聚合物材料具有低介电常数，也可用于制作光子晶体滤波器，但由于孔径较小，对于制作相互平行的高纵深度比比较困难。相比之下，用硅介质制作光子晶体滤波器件无疑是众多研究学者常用的候选材料。然而，目前大部分光子晶体滤波器响应频段未处于太赫兹大气通信窗口，使其不能应用于太赫兹大气通信系统，应用受限；根据国内外的研究进展，有关太赫兹波光子晶体滤波器的带宽相对较窄，较难适应宽频带、超高速的通信要求，这也是研究者迫切希望解决的关键问题之一。

发明内容

本发明针对在现有的缺乏应用于大气通信窗口频段以及响应带宽相对较窄的太赫兹光子晶体滤波器中存在的不足出发，提出了一种适用于380GHz-438GHz频段的低损耗、宽频带太赫兹渐变型光子晶体滤波器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种低损耗、宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器，包括不同的圆形介质柱呈正方晶格排列形成的二维光子晶体，在所述二维光子晶体滤波器中间位置设置有一个谐振腔，该谐振腔由3个介质柱构成，输入通道和输出通道分别位于谐振腔左右两侧，输入、输出通道和谐振腔位于一条水平线上，形成太赫兹波传播通道，介质柱均匀分布在太赫兹波传播通道上下两侧，呈对称结构，同一排介质柱尺寸相同，从中心到边缘介质柱半径逐渐增大，输入的信号为高斯径向分布的太赫兹波，当太赫兹波通过输入通道到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波耦合进入谐振腔，得到耦合输出，实现380GHz-438GHz频率范围内的宽频带滤波。

二维光子晶体沿着X-Z面呈正方晶格周期性排列，根据公式r₀＝0.18*a确定介质柱的半径r₀，介质柱的高度h＝279μm，其中，a为晶格常数。

介质柱以阵列呈正方晶格周期排列，根据公式r_i＝r₀/(1+i)确定位于太赫兹波传播通道两侧介质柱半径，其中，r₀为位于滤波器边缘一排介质柱半径，i＝1,2,3，介质柱的半径由纵向的边缘到中心依次为r₀、r₁、r₂、r₃，上下对称。

所述二维渐变型滤波器沿着中间一排介质柱呈对称结构，从中心到边缘相同排介质柱尺寸相同，但不同排介质柱尺寸依次增大，每排介质柱半径从中心到边缘依次最优可为10.16μm、12.70μm、20.32μm、45.72μm。

所述谐振腔中介质柱的材料为非线性晶体材料铌酸锂，该材料易于取得且具有高介电常数，有利于实现太赫兹波与谐振腔之间的耦合；其余二维介质柱的材料为高阻硅，该材料相比于金属，硅介质柱具有更低的色散和吸收损耗。