CN104062774A - 太赫兹波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹波滤波器，能够吸收太赫兹入射波中特定频段的波实现滤波，其特征在于，包括：亚波长金属光栅层，亚波长金属光栅层的光栅周期小于入射波波长；承载在亚波长金属光栅层下方的基底层；以及与基底层连接并控制基底层温度的温度控制装置，其中，亚波长金属光栅层包括：金属栅条和介质栅条。特定频率的太赫兹入射波在亚波长金属光栅层上发生局域表面等离子体共振，共振频率附近频段的太赫兹入射波被吸收。当温度控制装置改变基底层温度，共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化，本发明的太赫兹波滤波器实现了可调谐滤波。

Description

太赫兹波滤波器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波滤波器，属于太赫兹波技术领域。

背景技术

太赫兹波具有相干性、瞬态性、宽频带、光子能量低和对人体无害等独特特性。太赫兹波滤波器是一种重要的太赫兹器件，它在成像、通信、雷达系统等中有着重要的应用。

传统光学波段中滤波器的设计方法在太赫兹波频段难以实现，利用局域表面等离子体共振技术可以很好地设计太赫兹波段功能器件。发明专利“一种基于MEMS工艺THz波段EMXT腔体滤波器”(专利号：CN103107394A)公开了一种太赫兹波滤波器的结构。该滤波器一旦做成，滤掉的太赫兹波频段范围不变，不能实现一定频段的调控工作。发明专利“一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器”(专利号：CN101504997A)也公开了一种太赫兹波滤波器，该滤波器只能通过调节温度实现太赫兹波透射强度的改变，也不能实现透射频率的调谐。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够实现可调谐滤波的太赫兹波滤波器。

本发明为了实现上述目的，采用了以下结构。

本发明提供一种太赫兹波滤波器，能够吸收太赫兹入射波中特定频段的波实现滤波，其特征在于，包括：亚波长金属光栅层，亚波长金属光栅层的光栅周期小于入射波波长；承载在亚波长金属光栅层下方的基底层；以及与基底层连接并控制基底层温度的温度控制装置，

其中，亚波长金属光栅层包括：金属栅条和介质栅条，金属栅条和介质栅条周期性交替排布，在局域表面等离子共振发生时，电子在所述金属栅条上作周期性往返运动，特定频率的太赫兹入射波在亚波长金属光栅层上发生局域表面等离子体共振，共振频率附近频段的太赫兹入射波被吸收；当温度控制装置改变基底层温度，共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，基底层为InSb、InAs、InP和GaAs中任意一种。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，金属栅条由铜、金、银、铬和铝中任意一种金属制成。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，介质栅条由空气、二氧化硅、环氧树脂和硅中任意一种形成。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，基底层为InSb，金属栅条由铜制成，介质栅条为空气时，基底层温度T与共振频率F的变化关系为：F＝0.0168T-2.96，其中T的单位为K，F的单位为THz。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，基底层温度T的变化范围为225K～325K。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，共振频率F的变化范围为0.82THz～2.50THz。

另外，在本发明的太赫兹波滤波器中，还可以具有这样的特征：其中，吸收波的频段范围为(F-0.16THz，F+0.32THz)。

发明作用与效果

根据本发明的太赫兹波滤波器，由于温度控制装置改变了基底层温度，导致基底层载流子浓度改变，使得基底层的介电常数改变；入射太赫兹波在亚波长金属光栅层中激发局域表面等离子体共振，其共振频率和光栅周期以及亚波长金属光栅层和基底层的阻抗匹配相关；当基底层的介电常数改变，阻抗匹配的频率位置也会发生改变，进而激发局域表面等离子的共振频率也会改变；此时，共振频率附近波段的入射太赫兹波被吸收，其他频率的波被亚波长金属光栅层反射，达到滤波效果；因此，基底层温度改变时，共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化，实现了可调谐滤波。

附图说明

图1是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中的结构示意图；

图2是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为225K时的反射特性曲线；

图3是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为240K时的反射特性曲线；

图4是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为255K时的反射特性曲线；

图5是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为270K时的反射特性曲线；

图6是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为295K时的反射特性曲线；

图7是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为325K时的反射特性曲线；以及

图8是本发明涉及的太赫兹波滤波器的共振频率随温度变化图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的太赫兹波滤波器做详细阐述。

<实施例1>

图1是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中的结构示意图。

如图1所示，太赫兹波滤波器10具有基底层1、亚波长金属光栅层2、温度控制装置(图中未显示)，亚波长金属光栅层2包括金属栅条3和介质栅条4。

金属栅条3由铜制成，介质栅条4为空气。金属栅条3和介质栅条4周期性地交替排布。亚波长金属光栅层2的光栅周期为20μm，占空比为4：1，光栅槽深为500nm。入射太赫兹波的频率范围为0.3～3THz，对应的波长范围为100μm至1000μm，亚波长金属光栅层的光栅周期小于入射波波长。

基底层1为<100>N型不掺杂InSb基片，承载在亚波长金属光栅层2的下方。

温度控制装置与基底层1连接，能够控制基底层1的温度。当温度低于290K时，使用液氮冷却装置作为温度控制装置；当温度高于290K时，使用热台作为温度控制装置。

本实施例的太赫兹波滤波器的制备过程如下：1、用溅射的方法在500um厚度InSb基底层1上镀一层500nm铜薄膜。2、在铜膜上旋涂一层光刻胶，将周期20um，占空比4：1的掩模板置于光刻胶上，用曝光显影技术将在光刻胶上形成相应的光栅结构。3、用离子束蚀刻的方法，将光刻胶上的光栅结构转移到铜膜上，得到亚波长金属光栅层2。4、将温度控制装置与基底层1相连接。

由于温度控制装置提高基底层1的温度，会使得基底层1中的载流子浓度N变大，从而使得半导体的等离子频率ωp变大，如下式所示：

${\mathrm{\&omega;}}_p=\sqrt{\frac{{\mathrm{Ne}}^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\&infin;}{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}m*}}$

其中，ε_∞为表示半导体的高频相对介电常数，ε₀为真空介电常数，m*为载流子有效质量。

也就是影响了基底层InSb的相对介电常数，如下式所示：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{s\left(\mathrm{\&omega;}\right)}={\mathrm{\&epsiv;}}_{\&infin;}(1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_p^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2+{\mathrm{i\&omega;\&omega;}}_{\mathrm{\&tau;}}})$

其中，ω_τ为带电载流子的平均碰撞频率，ω为入射太赫兹波的频率。

当特定频率的入射太赫兹波在亚波长金属光栅层2中激发局域表面等离子体共振，电子在所述金属栅条3上作周期性往返运动，在太赫兹波段入射到亚波长金属光栅层2时，铜可以看做完美导体。空气对应的相对介电常数为1.0。

亚波长金属光栅层2的共振频率和光栅周期以及亚波长金属光栅层2和基底层1的阻抗匹配相关。当基底层1的介电常数改变，阻抗匹配的频率位置也会发生改变，进而激发局域表面等离子的共振频率也会改变。此时，共振频率附近波段的太赫兹入射波被吸收，其他频率的波被亚波长金属光栅层2反射，达到滤波效果。

图2是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为225K时的反射特性曲线。

如图2所示，当基底层1的温度T为225K时，共振频率F为0.82THz。0.73THz到1.14THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

图3是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为240K时的反射特性曲线。

如图3所示，当基底层1的温度T为240K时，共振频率F为1.03THz。0.93THz到1.35THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

图4是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为255K时的反射特性曲线。

如图4所示，当基底层1的温度T为255K时，共振频率F为1.32THz。1.20THz到1.62THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

图5是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为270K时的反射特性曲线。

如图5所示，当基底层1的温度T为270K时，共振频率F为1.52THz。1.38THz到1.81THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

图6是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为295K时的反射特性曲线。

如图2所示，当基底层1的温度T为295K时，共振频率F为2.03THz。1.88THz到2.31THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

图7是本发明涉及的太赫兹波滤波器在实施例中基底层温度为325K时的反射特性曲线。

如图7所示，当基底层1的温度T为325K时，共振频率F为2.50THz。2.34THz到2.78THz范围内的入射太赫兹波的反射率小于60％，被太赫兹波滤波器10吸收被过滤掉。

当然，除了以上六个温度值外，基底层的温度T还可以为225K～325K之间的任意温度。

图8是本发明涉及的太赫兹波滤波器的共振频率随温度变化图。

从图8中可以计算出，基底层温度T与共振频率F的变化关系为：F＝0.0168T-2.96，其中T的单位为K，F的单位为THz。

从上面看出，当基底层1的温度T在225K到325K之间变化时，对应的共振频率F的变化范围为0.82THz～2.50THz。还可以计算出吸收波的频段范围为(F-0.16THz，F+0.32THz)。也就是说，基底层1的温度改变，共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化，本实施例的太赫兹波滤波器实现了可调谐滤波。

实施例作用与效果

根据本实施例所涉及的太赫兹波滤波器，由于温度控制装置改变了基底层温度，导致基底层载流子浓度改变，使得基底层的介电常数改变；入射太赫兹波在亚波长金属光栅层中激发局域表面等离子体共振，其共振频率和光栅周期以及亚波长金属光栅层和基底层的阻抗匹配相关；当基底层的介电常数改变，阻抗匹配的频率位置也会发生改变，进而激发局域表面等离子的共振频率也会改变；此时，共振频率附近波段的入射太赫兹波被吸收，其他频率的波被亚波长金属光栅层反射，达到滤波效果；因此，基底层温度改变时，共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化，实现了可调谐滤波。

在太赫兹波谱成像安检领域中，运用本实施例的太赫兹波可调谐滤波器可以实现太赫兹波源的宽范围的选择性发射，以避开安检物体的敏感频率。在通信领域中，为了得到特定信道而滤掉其他信道，本实施例的可调谐滤波器可以实现不同信道的切换。

当然，本发明涉及的太赫兹波滤波器并不仅仅限定于在本实施例中的结构。基底层还可以为InAs、InP和GaAs中任意一种。金属栅条还可以由金、银、铬和铝中任意一种金属制成。介质栅条还可以由二氧化硅、环氧树脂和硅中任意一种形成。

Claims (8)

1.一种太赫兹波滤波器，能够吸收太赫兹入射波中特定频段的波实现滤波，其特征在于，包括：

亚波长金属光栅层，所述亚波长金属光栅层的光栅周期小于所述入射波波长；

承载在所述亚波长金属光栅层下方的基底层；以及

与所述基底层连接并控制所述基底层温度的温度控制装置，

其中，所述亚波长金属光栅层包括：金属栅条和介质栅条，

所述金属栅条和所述介质栅条周期性交替排布，在所述局域表面等离子共振发生时，电子在所述金属栅条上作周期性往返运动，

特定频率的所述太赫兹入射波在所述亚波长金属光栅层上发生局域表面等离子体共振，共振频率附近频段的所述太赫兹入射波被吸收；当所述温度控制装置改变所述基底层温度，所述共振频率发生变化，吸收波的频段随之变化。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述基底层为InSb、InAs、InP和GaAs中任意一种。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述金属栅条由铜、金、银、铬和铝中任意一种金属制成。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述介质栅条由空气、二氧化硅、环氧树脂和硅中任意一种形成。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述基底层为InSb，所述金属栅条由铜制成，所述介质栅条为空气时，所述基底层温度T与所述共振频率F的变化关系为：F＝0.0168T-2.96，其中所述T的单位为K，所述F的单位为THz。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述基底层温度T的变化范围为225K～325K。

7.根据权利要求5所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述共振频率F的变化范围为0.82THz～2.50THz。

8.根据权利要求5所述的太赫兹波滤波器，其特征在于：

其中，所述吸收波的频段范围为(F-0.16THz，F+0.32THz)。