CN107037517B - 一种双层金属光栅导模共振带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层金属光栅导模共振带通滤波器，它由介质层以及第一、第二一维金属光栅组成，介质层的上、下表面分别与第一、第二一维金属光栅固定，第一、第二一维金属光栅的金属条相互平行，第一、第二一维金属光栅的分布周期相同，第一一维金属光栅的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影与第二一维金属光栅中同其相邻的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影之间的距离是所述分布周期的一半。双层一维金属光栅的衍射与介质波导的导模耦合后可以同时得到比单层光栅滤波器更高的旁瓣抑制比和透过率。本发明滤波器可用于光波段、太赫兹波段通信、成像及光谱应用领域。

Description

一种双层金属光栅导模共振带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种金属光栅导模共振滤波器，属于金属光栅技术领域。

背景技术

金属光栅是人工设计的一类占空比可调的周期性结构材料。由于金属光栅对于电磁波的入射会引起“Wood异常”现象，并能够得到许多异常的特性(如异常透射)。尤其是对于广泛报道的一维二维金属光栅所表现出来的偏振可调节，偏振不敏感，角度不敏感等特质，使得这类装置在滤波、传感等领域得到了广泛的应用。

导模共振(GMR,Guided Mode Resonance)是一类由光栅、超材料等微器件表面周期性亚波长结构的光栅衍射效应将电磁波耦合进亚波长结构下面的平板波导而引起的谐振的总称。其能量局限于波导层内，克服了传统非导模共振金属光栅的欧姆损耗和辐射损耗，极大地限制了谐振能量的泄露，使其容易获得较大的谐振峰幅值。目前基于导模共振的单面金属光栅滤波器已有大量的研究。单面金属光栅导模共振滤波器的基本结构为仅在作为波导层的介质层的上表面或下表面固定单面金属光栅。入射电磁波被光栅衍射后可以偶合到介质层构成的波导中形成导模。较传统金属光栅滤波器，单面金属光栅导模共振滤波器的透过率大幅提高，同时具有较窄的带宽，对入射电磁波的角度和偏振都比较敏感，因而衍生出多种用途的滤波器，在光波段、太赫兹波段和微波波段都得到了研究。但是单面金属光栅导模共振滤波器的旁瓣抑制比还相对较低，极大的限制了它的应用领域，因此如何同时提高此类滤波器的旁瓣抑制比和透过率是目前技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层金属光栅导模共振带通滤波器，以同时提高金属光栅滤波器的旁瓣抑制比和透过率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明双层金属光栅导模共振带通滤波器由介质层、第一一维金属光栅和第二一维金属光栅组成，第一一维金属光栅与介质层的上表面固定，第二一维金属光栅与介质层的下表面固定，第一一维金属光栅的金属条与第二一维金属光栅的金属条平行，第一一维金属光栅与第二一维金属光栅的分布周期相同，第一一维金属光栅的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影与第二一维金属光栅中同其相邻的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影之间的距离是所述分布周期的一半。

进一步地，本发明所述分布周期和所述介质层的厚度满足以下式(1)和式(2)所示的关系：

p(sinθ±sini)＝λ/n (1)

其中，p表示一维金属光栅的分布周期，i为入射电磁波照射到滤波器的入射角，θ为入射电磁波被一维金属光栅衍射后的衍射角，λ为滤波器的通带中心频率对应的电磁波在真空中的波长；n为介质层的折射率，d表示介质层的厚度，2φ_s为介质层的上表面的全反射相移，2φ_c为介质层的下表面的全反射相移；N为由介质层构成的平板波导的导模阶数，N为大于等于零的整数。

进一步地，本发明所述第一一维金属光栅的金属条的宽度与第二一维金属光栅的金属条的宽度满足以下关系：a≥b，且0.6p≤a≤0.9p，0.9p≤a+b≤1.3p，其中，a表示第一一维金属光栅的金属条的宽度，b表示第二一维金属光栅的金属条的宽度，p表示一维金属光栅的分布周期。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

与现有技术中的单层金属光栅导模共振滤波器相比，本发明的双层金属光栅导模共振带通滤波器中的两层光栅及上下两层金属条交错设置，使本发明滤波器在保持有较高的透过率的基础上，旁瓣抑制比大幅提高。本发明双层金属光栅导模共振滤波器的旁瓣抑制比为由其上层光栅或下层光栅单独构成的单层金属光栅导模共振滤波器的旁瓣抑制此的2倍以上。同传统光栅滤波器相比，本发明滤波器降低了金属结构的欧姆损耗和辐射损耗，使谐振强度增加，具有高的透过率。本发明滤波器可用于光波段、太赫兹波段通信、成像及光谱应用领域。

附图说明

图1为本发明双层金属光栅导模共振带通滤波器的结构示意图；

图2为图1中的金属条A、金属条B、金属条C在介质层的下表面上的投影关系图；

图3为实施例1中的双层金属光栅导模共振带通滤波器在0.4THz-1.5THz范围内，用有限元法计算得到的的透过率谱曲线图；

图4为实施例2中的双层金属光栅导模共振带通滤波器在0.2THz-1.3THz范围内，用有限元法计算得到的的透过率谱曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细的说明。

实施例1

在精细光谱处理中，常需要带宽很窄的带通滤波器对光源进行处理。本实施例1的双层金属光栅导模共振带通滤波器是一款能够工作在0.78THz的窄带滤波器。本实施例1的滤波器的结构如图1所示，它由一层介质层2、第一一维金属光栅1和第二一维金属光栅3组成。第一一维金属光栅1与介质层2的上表面21固定，第二一维金属光栅3与介质层2的下表面22固定。第一一维金属光栅1的金属条与第二一维金属光栅3的金属条平行，这些金属条为铜条，分布于整个介质层2上。第一一维金属光栅1与第二一维金属光栅3的分布周期相同。

第一一维金属光栅1的金属条的纵向中心线在介质层2的下表面22上的投影同第二一维金属光栅3中与其相邻的金属条的纵向中心线在介质层2的下表面22上的投影的距离是一维金属光栅的分布周期p的一半。以下以第一一维金属光栅1中的金属条A以及第二一维金属光栅3中的金属条B、C为例来进一步说明以上的相邻关系。如图2所示，在第二一维金属光栅3中，与金属条A相邻的金属条分别为金属条B和金属条C。其中，Ac为金属条A的纵向中心线在介质层2的下表面22上的投影，Bc为金属条B的纵向中心线在介质层2的下表面22上的投影。投影Ac和投影Bc相互平行且相互间的距离为一维金属光栅的分布周期的一半。同样，金属条C的纵向中心线在介质层2的下表面22上的投影(图中未示出)与投影Ac相互平行且相互间的距离为一维金属光栅的分布周期的一半。

本实施例中，介质层2选用折射率n为1.87的聚酰亚胺平板，它与其上、下两个表面处的空气组成了一个平板波导。介质层2的厚度d为12.5μm。滤波器的通带中心频率为0.78THz，即对应的电磁波波长λ为384.2μm；入射电磁波为线偏振光正入射，即入射角i为0。选取导模阶数N为0的情况，根据以下式(a)所示的平板波导的相位匹配条件和以下式(b)所示的光栅一级衍射公式,计算得到第一一维金属光栅1和第二一维金属光栅3的分布周期p应为380μm。

p(sinθ±sini)＝λ/n (b)

此外，若第一一维金属光栅1的金属条宽度a和第二一维金属光栅3的金属条宽度b满足以下条件：a≥b,且0.6p≤a≤0.9p，0.9p≤a+b≤1.3p，则本发明双层金属光栅导模共振带通滤波器就具有比单面金属光栅导模共振滤波器更优异的旁瓣抑制比，比传统非导模共振金属光栅滤波器更高的透过率。本实施例中，为了达到尽量窄的带宽，进一步令a+b＝p，即第一一维金属光栅1中的金属条的宽度和第二一维金属光栅3中的金属条的宽度之和等于它们的分布周期(称之为双面互补)，此时，本实施例的双层金属光栅导模共振带通滤波器的带宽达到最小值。

本发明双层金属光栅导模共振带通滤波器的通带中心透过率和旁瓣抑制比随金属条的宽度a的变化有相反的变化趋势。选取a的值为340μm、300μm、280μm，分别使用有限元算法在0.4THz-1.5THz范围内进行计算，计算结果如表1中“双面互补”列所示。随着a变小，旁瓣抑制比降低，但是通带中心透过率提高。综合考虑两者平衡后选取金属铜条宽度a为300μm。

表1不同宽度金属条光栅的计算结果

注：1.旁瓣抑制比指在±0.4THz范围内的旁瓣抑制比；

2.“双层滤波器”指本发明的双层金属光栅导模共振带通滤波器，“单面滤波器”指单面金属光栅导模共振滤波器。

金属条的宽度a为300μm时，用有限元法计算得到的在0.4THz-1.5THz范围内本实施例的双层金属光栅导模共振带通滤波器的透过率曲线如图3所示。由计算可知，当金属条的宽度a为300μm时，本实施例双层金属光栅导模共振带通滤波器的带宽为0.5GHz(半高全宽)，通带中心透过率为70％，在±0.4THz范围内的旁瓣抑制比达到了15.5dB。

作为比较，表1的“单面”列中列出了金属铜条宽度为a的单面金属光栅导模共振滤波器的旁瓣抑制比。由表1可知，本实施例的双层金属光栅导模共振带通滤波器的旁瓣抑制比远高于单面金属光栅导模共振滤波器。

在使用过程中，仅需将此双层金属光栅导模共振带通滤波器垂直于电磁波传播方向插入电磁波传输路径即可实现对电磁波的滤波。但是需要注意，此滤波器仅对偏振方向垂直于金属条方向的线偏振电磁波具有滤波效果。

实施例2

本实施例2获得的双层金属光栅导模共振带通滤波器亦能够工作在0.78THz。

本实施例2的滤波器的结构与实施例1的相同(可参见图1和图2)，在此不再赘述。

与实施例1相同，介质层2选用折射率n为1.87的聚酰亚胺平板，它同其上下两个表面处空气组成了一个平板波导。介质层2的厚度d为12.5μm。滤波器通带中心频率为0.78THz，即对应的电磁波波长λ为384.2μm，入射电磁波为线偏振光正入射，即入射角i为0。选取导模阶数N为0的情况，计算得到一维金属光栅1和3的分布周期p为380μm。

本实施例中，第一一维金属光栅1的金属条宽度a和第二一维金属光栅3的金属条宽度b进一步满足以下条件：a≥b；且0.6p≤a≤0.9p，0.9p≤a+b≤1.3p。

本实施例中，为了在增加旁瓣抑制比的基础上达到尽量高的透过率，进一步取a和b均为228μm。

用有限元算法在0.2THz-1.3THz范围内计算本实施例中双层金属光栅导模共振带通滤波器的透过率曲线，结果如图4所示。显然，当a+b≠p，即第一一维金属光栅1和第二一维金属光栅3不互补时，滤波器的透过率提高很多。本实施例中，双层金属光栅导模共振带通滤波器的通带带宽为4GHz，通带中心透过率高达91％，而在0.5THz范围内的旁瓣抑制比达到了20dB。

在使用过程中，仅需将本发明的双层金属光栅导模共振带通滤波器沿着垂直于电磁波传播方向插入到电磁波传输路径中即可实现对电磁波的滤波。需要说明的是，本发明滤波器仅对偏振方向垂直于金属条方向的线偏振电磁波具有滤波效果。

本发明中，介质层优选为半导体材料层或聚合物材料层。一维金属光栅的材料可为金、银、铜、铝、镍、锌、钼、铁、镁等，本发明对此并不做限定。

综上可知，本发明的双层金属光栅导模共振带通滤波器装置具有高旁瓣抑制比和高透过率，且可以应用于微波段、太赫兹波段及光波段。

Claims (3)

1.一种双层金属光栅导模共振带通滤波器，其特征在于：由介质层、第一一维金属光栅和第二一维金属光栅组成，第一一维金属光栅与介质层的上表面固定，第二一维金属光栅与介质层的下表面固定，第一一维金属光栅的金属条与第二一维金属光栅的金属条平行，第一一维金属光栅与第二一维金属光栅的分布周期相同，第一一维金属光栅的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影与第二一维金属光栅中同其相邻的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影之间的距离是所述分布周期的一半，第一一维金属光栅的金属条的宽度与第二一维金属光栅的金属条的宽度满足以下关系：a≥b，且0.6p≤a≤0.9p，0.9p≤a+b≤1.3p，其中，a表示第一一维金属光栅的金属条的宽度，b表示第二一维金属光栅的金属条的宽度，p表示一维金属光栅的分布周期。

2.根据权利要求1所述的双层金属光栅导模共振带通滤波器，其特征在于，所述分布周期和所述介质层的厚度满足以下式(1)和式(2)所示的关系：

p(sinθ±sini)＝λ/n (1)

其中，p表示一维金属光栅的分布周期，i为入射电磁波照射到滤波器的入射角，θ为入射电磁波被一维金属光栅衍射后的衍射角，λ为滤波器的通带中心频率对应的电磁波在真空中的波长；n为介质层的折射率，d表示介质层的厚度，2φ_s为介质层的上表面的全反射相移，2φ_c为介质层的下表面的全反射相移；N为由介质层构成的平板波导的导模阶数，N为大于等于零的整数。

3.一种双层金属光栅导模共振带通滤波器，其特征在于：由介质层、第一一维金属光栅和第二一维金属光栅组成，第一一维金属光栅与介质层的上表面固定，第二一维金属光栅与介质层的下表面固定，第一一维金属光栅的金属条与第二一维金属光栅的金属条平行，第一一维金属光栅与第二一维金属光栅的分布周期相同，第一一维金属光栅的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影与第二一维金属光栅中同其相邻的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影之间的距离是所述分布周期的一半；

所述分布周期和所述介质层的厚度满足以下式(1)和式(2)所示的关系：

p(sinθ±sini)＝λ/n (1)

其中，p表示一维金属光栅的分布周期，i为入射电磁波照射到滤波器的入射角，θ为入射电磁波被一维金属光栅衍射后的衍射角，λ为滤波器的通带中心频率对应的电磁波在真空中的波长；n为介质层的折射率，d表示介质层的厚度，2φ_s为介质层的上表面的全反射相移，2φ_c为介质层的下表面的全反射相移；N为由介质层构成的平板波导的导模阶数，N为大于等于零的整数。