CN107942437B - 带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器。该光子晶体带通滤波器包括二维光子晶体、水平输入波导、谐振腔、垂直输出波导；其中，二维光子晶体呈四方晶格周期性排列，在二维光子晶体中设置有水平输入波导和垂直输出波导，波导相邻两侧一排介质柱呈长方形介质柱；输入与输出波导相交位置设置有弓形谐振腔，该谐振腔由两个内部介质柱和三个散射介质柱构成，当太赫兹波从水平输入波导左端输入到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波被耦合进入谐振腔，从垂直输出波导下端口输出，实现375‑425GHz频率范围内的低损耗宽频带滤波。

Description

带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器

技术领域

本发明属于太赫兹光子晶体带通滤波器，采用新型的弓形谐振腔结构，涉及一种太赫兹无源器件与太赫兹波通信技术领域。

背景技术

太赫兹频谱通常是指0.1THz到10THz之间的频谱区域，它是最后一个尚未被分配和开发使用的新频段。太赫兹波是一种新的、有很多独特优点的辐射波，为未来的前沿科技发展提供了机遇。光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构，其最基本的特点就是具有光子带隙，光子落入此带隙频段内是不能传播的。因此，一块光子晶体就相当于一个天然的帯阻滤波器。当在光子晶体中引入某种缺陷或者介电无序时，将打破光子晶体原有的对称性和周期性，形成缺陷态，和缺陷态频率相吻合的光子将被局域在缺陷内，从而实现一定频段的滤波功能。基于光子晶体具有小型化、高集成度以及可调谐性好等优点，将光子晶体和太赫兹技术结合起来研究无源滤波器件有望得到更有价值的研究成果。

目前，基于二维光子晶体的太赫兹滤波器普遍是在光子晶体中引入线缺陷和点缺陷来实现太赫兹波的耦合滤波，这种设计的得益之处在于在某个点缺陷内形成单缺陷模式，有利于单频段范围内的高质量滤波。由于在二维光子晶体中引入的缺陷态将会产生严重的散射损耗，不利于太赫兹波的有效传播。在375-425GHz工作频段内采用长方形介质柱代替传统的圆形介质柱来约束太赫兹波的传播，能更有效的减小波的散射损耗和控制光的传播方向。谐振腔采用弓形结构，调节腔内介质柱的介电常数和尺寸大小可有效的改变谐振腔的谐振频率和耦合模式，继而保证在低散射损耗的前提下，实现宽频带范围内的高效滤波。

硅是介质中也是聚合物中最透明、色散最小的材料。高纯度晶体的吸收常数在频率低于3THz时小于0.1cm^-1，在同一频段其折射率3.4175的变化小于0.0001。除此之外，硅的物理特性和电特性已经被研究得非常详细，并且还价格低廉，具有成熟的加工工艺。在二维光子晶体中采用介质柱表面镀金属亦可有效地减少传输损耗，但仍然存在高欧姆损耗，且加工工艺颇为复杂。相比之下，硅无疑是制作太赫兹器件的首选材料。太赫兹滤波器作为太赫兹通信必不可少的通信器件，然而如何制作易于集成、可控性高且能实现低损耗宽频带传输的滤波器件是研究者亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种制作易于集成、可控性高且适用于太赫兹大气通信窗口频段的方法。本发明的技术方案如下：

一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其包括二维光子晶体、输入波导、谐振腔及输出波导；其中，所述二维光子晶体是一系列圆形介质柱呈正方晶格周期性分布的光子晶体，在该二维光子晶体中去掉两半排水平排列的介质柱形成输入波导，在输入波导的右端垂直向下去掉两半排介质柱来形成输出波导，输入波导和输出波导相交位置设置有一个谐振腔，所述输入波导和输出波导相邻两侧一排的介质柱呈长方形介质柱排列，其余介质柱呈圆形介质柱均匀分布在传输波导的上下左右两侧。

进一步的，所述谐振腔为一个弓形的微谐振腔结构，它是由两个内部介质柱和六个散射介质柱构成，其中两个内部介质柱呈45°斜对称分布在谐振腔中心位置，在谐振腔的上部和右部分别去除几根介质柱，然后在上部水平排列三个散射介质柱，在右部竖直排列三个散射介质柱，内部介质柱和散射介质柱具有同种介电常数和相同的尺寸。

进一步的，当太赫兹波通过输入波导传输到谐振腔时，只有符合缺陷态模式的频率才能耦合输出，实现375-425GHz频率范围内的宽频段滤波。

进一步的，所述二维光子晶体以12×12阵列沿着X-Z面呈正方晶格周期排列，所述输入波导和输出波导的端口大小和标准WR2.8波导端口大小一致，介质柱高度最优设置为h＝365μm，介质柱半径r₀可根据公式r₀＝τ*a确定，其中，a为晶格常数，介质柱比率τ＝5。

进一步的，所述的内部介质柱和散射介质柱具有同种介电常数ε₁和相同的尺寸r₁，根据关系式Δ＝r₀±10优化相关参数，Δ＝m，n，r₁，得到优化后的长度m，宽度n以及谐振腔内介质柱半径r₁依次为80μm，70μm，30μm。

进一步的，所述内部介质柱和散射介质柱的材料为非线性晶体铌酸锂L_iN_bO₃。

进一步的，所述水平输入波导输入的信号为径向高斯分布的太赫兹波。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的带有弓形谐振腔结构太赫兹光子晶体带通滤波器的滤波原理：输入的信号为径向高斯分布的太赫兹波。根据光子晶体的局域选频作用，在此滤波器结构中引入点缺陷谐振腔，当输入的太赫兹波通过输入波导传输到谐振腔时，只有符合谐振模式频率的光波才能产生共振，并耦合输出，实现特定频段的滤波作用。

本发明提出的一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体滤波器。该滤波器结构是在完整二维硅介质柱型光子晶体中引入线缺陷来形成传输波导，传输波导相邻两侧一排介质柱呈长方形排列，可有效控制波的传播方向和减小波在传输过程中的散射损耗；引入点缺陷来形成微谐振腔，将谐振腔设置为弓形结构来耦合输出某一特定频段的太赫兹波，起到太赫兹波的选择作用。调节谐振腔中介质柱的介电常数和尺寸大小，提高太赫兹波和谐振腔之间的耦合效率，达到低损耗、宽频带滤波功能。此结构的光子晶体滤波器易于集成、可控性高，设计的结构简单巧妙，可广泛应用于宽频带太赫兹通信系统。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例弓形谐振腔太赫兹光子晶体带通滤波器平面结构示意图；

图2二维光子晶体TE偏振模式带隙图；

图3太赫兹光子晶体带通滤波器透射谱线；

图4太赫兹光子晶体带通滤波器稳态电场分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明的带有弓形谐振腔结构太赫兹光子晶体带通滤波器如图1所示。在图1中，该滤波器为介质柱以12×12阵列呈正方晶格周期排列形成的二维光子晶体，它包括二维光子晶体1、一个输入波导2、一个弓形谐振腔3和一个输出波导4。所述输入波导是在二维光子晶体中去掉两半排水平排列的介质柱来形成的水平传输波导，输入波导的左端为太赫兹波输入端口；所述输出波导为在水平波导的右端垂直向下去掉两半排竖直排列的介质柱来形成的传输波导，输出波导的下端为太赫兹波输出端口；所述输入输出波导相邻两侧一排的介质柱呈长方形介质柱排列，其余介质柱呈圆形介质柱均匀分布在传输波导的上、下、左、右两侧；所述弓形谐振腔位于输入波导和输出波导的相交位置，它是由两个内部介质柱5和六个散射介质柱6构成；所述两个内部介质柱呈45°斜对称分布在谐振腔的中心位置；在谐振腔的上部和右部分别删除几根介质柱，然后在上部设置三根水平排列的散射介质柱，在右部设置三根竖直排列的散射介质柱。该光子晶体带通滤波器波导两侧一排介质柱采用长方形介质柱代替传统的圆形介质柱，能有效的控制波的传播方向以及减小波在传输过程中的散射损耗。根据时域耦合膜理论分析，调节谐振腔中介质柱的介电常数和尺寸大小可提高太赫兹波与谐振腔之间的耦合效率，继而在保证在低散射损耗的前提下，实现375-425GHz范围内的宽频带高质量滤波。

整个太赫兹光子晶体带通滤波器呈斜对称结构，其中晶格常数为a＝260μm。二维光子晶体在空气背景中沿着X-Z面呈正方晶格周期性排列。输入输出波导端口均选用国际标准波导端口WR2.8，因此介质柱的高度最优可设置为h＝365μm。

在图1弓形谐振腔太赫兹光子晶体带通滤波器平面结构中，设置介质柱的半径为r₀，其值可根据公式r₀＝τ*a确定，其中，介质柱比率τ＝5。输入波导和输出波导相邻两侧一排的介质柱呈长方形介质柱排列，合理调节其长度m和宽度n可有效的减少太赫兹波在传播过程中的散射损耗。所述的内部介质柱5和散射介质柱6具有同种介电常数ε₁和相同的尺寸r1。根据关系式Δ＝r0±10(Δ＝m，n，r₁)适当的优化相关参数，可得优化后的长度m，宽度n以及谐振腔内介质柱半径r1依次为80μm，70μm，30μm。

所述弓形谐振腔由内部介质柱和散射介质柱构成。内部介质柱和散射介质柱的材料均为非线性晶体铌酸锂L_iN_bO₃，该材料易于取得且具有高介电常数。引入高介电常数材料设计谐振腔结构有利于实现太赫兹波与缺陷态模式之间的匹配耦合。其余介质柱材料均为高阻硅，硅是介质中也是聚合物中最透明、色散最小的材料，并且该材料相比于金属，硅介质柱具有更低的色散和吸收损耗。

在此光子晶体带通滤波器中，采用高介电常数材料铌酸锂来设计弓形的谐振腔结构有利于实现太赫兹波与谐振腔之间的高效率耦合。根据光子晶体的局域选频作用，当输入的径向高斯分布的太赫兹波通过输入波导传输到弓形谐振腔时，只有符合谐振模式频率的光波才能产生共振，并耦合进入谐振腔，继而耦合到输出波导输出，实现特定宽频带范围内的低损耗滤波。

本发明的技术方案是基于二维光子晶体所具有的光子带隙和光子局域选频特性。光子落入光子带隙频段是不能传播的，当引入点缺陷时，利用点缺陷谐振腔的局域选频作用，实现光子晶体的滤波功能。图2是基于完整光子晶体结构的TE模式下的光子带隙图。横坐标的Γ、M、K是第一布里渊区的高度对称点，它们形成的三角形称为简约布里渊区，Γ-M-K-Γ所围成的三角形表示波矢k的方向；纵坐标注的Frequency是频率，单位是GHz。由图可知在TE模式下的带隙频段是320-462GHz和780-798GHz，对应的带隙宽度依次为142GHz和18GHz。选取带隙宽度较宽的频带作为设计的选频范围，为使得响应频段在太赫兹大气第二吸收窗口，滤波器的工作频段设置为375-425GHz，中心频率为400GHz，此时波长λ＝c/f＝0.73mm，c为真空中的光速。通过计算，带隙归一化中心频率为a/λ＝ωa/2πc＝0.36，为获得中心频率f＝400GHz处的率波特性，设置λ＝0.73mm，此时光子晶体晶格常数a＝260μm。另外，在TM偏振模式下没有出现带隙，因此本发明设计的滤波器仅讨论TE偏振模式下的滤波特性。

输入输出两侧一排介质柱采用长方形介质柱代替传统的圆形介质柱可有效的控制波的传播方向，减小波的散射损耗，提高透射率。谐振腔采用新型弓形结构，调节谐振腔中内部介质柱和散射介质柱的介电常数和尺寸大小，使得符合谐振腔谐振频率的太赫兹波被有效的耦合输出，实现宽频段滤波。图3是实施例1的透射谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为GHz；纵坐标标注的Transmission表示透射谱线，单位为dB；S₁₁和S₂₁分别表示太赫兹波传输的反射系数和透射系数。由图可知，在375-425GHz频段范围内插入损耗均小于0.26dB，在中心频率400GHz处实现的绝对带宽为50GHz，带外最大抑制为35.87dB，最大透射效率达到97.4％。

图4是该实施例1的稳态电场分布图，由图可知，太赫兹波能被很好的束缚在二维光子晶体中传输，且具有较低传输损耗。本发明的带有弓形谐振腔太赫兹光子晶体带通滤波器具有较好的滤波性能和较宽的传输频带。

在本发明实施例中，为适应太赫兹通信频段的发展，所提的滤波器工作在375-425GHz频段。采用高阻硅和高介电常数铌酸锂相结合设计新型弓形谐振腔太赫兹光子晶体带通滤波器结构，在保证低散射损耗的前提下实现宽频段滤波。此外，该滤波器易于集成、可控性高，为太赫兹通信系统的发展及应用奠定了基础。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，包括二维光子晶体(1)、输入波导(2)、谐振腔(3)及输出波导(4)；其中，所述二维光子晶体(1)是一系列圆形介质柱呈正方晶格周期性分布的光子晶体，在该二维光子晶体(1)中去掉两半排水平排列的介质柱形成输入波导(2)，在输入波导的右端垂直向下去掉两半排介质柱来形成输出波导(4)，输入波导(2)和输出波导(4)相交位置设置有一个谐振腔(3)，所述输入波导(2)和输出波导(4)相邻两侧一排的介质柱呈长方形介质柱排列，其余介质柱呈圆形介质柱均匀分布在传输波导的上下左右两侧；

所述谐振腔(3)为一个弓形的微谐振腔结构，它是由两个内部介质柱(5)和六个散射介质柱(6)构成，其中两个内部介质柱(5)呈45°斜对称分布在谐振腔中心位置，在谐振腔(3)的上部和右部分别去除几根介质柱，然后在上部水平排列三个散射介质柱(6)，在右部竖直排列三个散射介质柱，内部介质柱(5)和散射介质柱(6)具有同种介电常数和相同的尺寸。

2.根据权利要求1所述的带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，当太赫兹波通过输入波导(2)传输到谐振腔(3)时，只有符合缺陷态模式的频率才能耦合输出，实现375-425GHz频率范围内的宽频段滤波。

3.根据权利要求1所述的带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，所述二维光子晶体(1)以12×12阵列沿着X-Z面呈正方晶格周期排列，所述输入波导(2)和输出波导(4)的端口大小和标准WR2.8波导端口大小一致，介质柱高度最优设置为h＝365μm，介质柱半径r₀可根据公式r₀＝τ*a确定，其中，a为晶格常数，介质柱比率τ＝5。

4.根据权利要求3所述的带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，所述的内部介质柱(5)和散射介质柱(6)具有同种介电常数ε₁和相同的尺寸r₁，根据关系式Δ＝r₀±10优化相关参数，Δ＝m，n，r₁，得到优化后的长度m，宽度n以及谐振腔内介质柱半径r₁依次为80μm，70μm，30μm。

5.根据权利要求4所述的带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，所述内部介质柱(5)和散射介质柱(6)的材料为非线性晶体铌酸锂L_iN_bO₃。

6.根据权利要求1-5之一所述的带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其特征在于，所述输入波导(2)输入的信号为径向高斯分布的太赫兹波。