CN110943271B - 一种电场调控的双通道太赫兹滤波器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电场调控的双通道太赫兹滤波器领域。所述滤波器包括：第一周期起伏波导A1，第二周期起伏波导A2，第三周期起伏波导A3，第一圆柱形直波导B1，第二圆柱形直波导B2，所述五个波导的连接方式为：A1粗端口—B1—A2细端口—A2粗端口—B2—A3细端口；第一圆柱形直波导B1的半径与第一周期起伏波导A1的粗端口半径相同，第二圆柱形直波导B2与第二周期起伏波导A2的粗端口半径相同；第一圆柱形直波导B1和第二圆柱形直波导B2的长度相同。本发明实现了太赫兹波段的电场调控双通道滤波的功能；结构尺寸小、易于集成；损耗小，两个通带的透射系数均大于0.9。

Description

一种电场调控的双通道太赫兹滤波器及制作方法
技术领域
本发明涉及太赫兹功能器件领域，特别涉及一种电场调控的双通道太赫兹滤波器领域。
背景技术
太赫兹滤波器是太赫兹系统中一种重要的功能器件，能够有效的滤除不必要的频率成分，去除系统噪声，大幅度的提高工作效率。已被提出的滤波器结构有光子晶体型、表面等离子体型和波导型等等。相对于其它类型的滤波器，波导型的滤波器具有结构简单、易加工、插入损耗低、易于实现等优点。
通常意义上太赫兹波的频率为0.1-10THz，处于电子学和光子学的过渡区域，所以具有多种特性。首先太赫兹波的光子能量很低，与x射线相比较，太赫兹波对生物机体没有损害，在活体生物检测方面有着很好的应用前景。其次，太赫兹波的频谱范围很宽，可以用来表征物质成分。再次，太赫兹波对许多物质的穿透力很强，为搜救和安检提供了更新更高效的方案。基于太赫兹波的这些优点，越来越多的人关注并且加入到了太赫兹技术的研究当中。对于太赫兹技术的研究，大多数人的目光都关注在了太赫兹辐射源、太赫兹功能器件和太赫兹技术的实际应用等方面上。其中性能优异的太赫兹功能器件可以大幅度的提高太赫兹系统的效率，主要包括滤波器、传感器和调制器等。近些年对于太赫兹滤波器的研究取得了很多成果。
2013年，中国计量学院太赫兹技术与应用研究所的王文涛等人在《光学学报》上发表了文章《基于三个方形封闭谐振环的多频带太赫兹滤波器》，所设计的三个方形封闭谐振环结构可以在0.33THz、0.68THz和1.13THz实现多频带滤波的功能。2014年丹麦技术大学的Andrew C.Strikwerda等人在Appl.Phys.Lett.上发表文章“Metamaterial compositebandpass filter with an ultra-broadband rejection bandwidth of up to240terahertz”，研究了一种复合型的超材料结构，这种结构可以实现滤波中心频率从0.86THz到8.51THz的调控。2015年，首都师范大学的何君和张铁军等人在《光谱学与光谱分析》上发表文章《基于聚酰亚胺基底的太赫兹滤波器》，提出了一种将两个带有不同尺寸双开口谐振环的聚酰亚胺基底叠加起来的结构，得到50％的带宽接近200GHz的滤波器。同年，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张力力和张晓渝等人在《太赫兹科学与电子信息学报》上发表了文章《基于超材料结构的高Q太赫兹滤波器》，设计了一种镜像非对称超材料结构，实验结果表明此种结构的工作频率为0.923THz，品质因子达到了12.5。2017年，巴西帕拉联邦大学的V.Dmitriev等人在Microw.Opt.Technol.Lett.上发表了文章“Controllable frequency and polarization THz filter based on graphene fish-scale metamaterial”，提出了一种基于石墨烯“鱼鳞”结构的太赫兹带阻滤波器，这种结构可以实现偏振滤波的功能。2018年，福州大学机械工程及自动化学院的高炳攀和林炎章等人在《激光与光电子学进展》发表了文章《飞秒激光微加工制备无衬底太赫兹带通滤波器》，在单层铝箔上实现了无衬底结十字构的加工，并对其进行了实验研究，其中心频率处的透射率为85％以上，达到商业化太赫兹滤波器水平。
在专利方面近些年也取得了非常多的成果。2016年，电子科技大学的张波等人公开了《一种小型化太赫兹低通滤波器》，专利公开号为CN 106229591A，是一种串并联的开口环结构，这种结构可以实现低通滤波的功能。2017年，重庆邮电大学的潘武等人公开了发明专利《一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器》，专利公开号为CN 107015309A，提出的结构可以在0.38-0.438THz实现滤波。2018年中国计量大学的李久生和邓玉强公开了专利《十字分型结构太赫兹滤波器》，专利号为CN 109004320A，是一种有两层金属和一层介质组成的结构，这种结构具有尺寸小、结构简单等优点。
近期报道的太赫兹滤波器都具有各自的优点，在通信、军事、医疗等领域有着各种应用价值。但是波导结构的双频段且具有电场可调谐特性的太赫兹滤波器的报道却很少，并且波导型滤波器具有结构尺寸小、价格低廉、易于生产、损耗小等等优点，所以波导型滤波器具有长远的研究意义和价值。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，如滤波频率单一、加工复杂、滤波性能差等，提供一种具有结构简单、易于实现、成本低、且能实现不同频率滤波功能的太赫兹带通滤波器。
本发明是这样实现的：
一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，包括：第一周期起伏波导A1，第二周期起伏波导A2，第三周期起伏波导A3，第一圆柱形直波导B1，第二圆柱形直波导B2，所述五个波导的连接方式为：A1粗端口—B1—A2细端口—A2粗端口—B2—A3细端口；第一圆柱形直波导B1的半径与第一周期起伏波导A1的粗端口半径相同，第二圆柱形直波导B2与第二周期起伏波导A2的粗端口半径相同；第一圆柱形直波导B1和第二圆柱形直波导B2的长度相同。
所述电场调控的双通道太赫兹滤波器为三层管状结构，电场调控的双通道太赫兹滤波器的基底材料为聚四氟乙烯PTFE层，聚四氟乙烯PTFE的内部为弧形石墨烯电极层，在聚四氟乙烯PTFE基底的外表面涂覆金层或银层或铝层作为波导管壁，波导管内填充有E7型液晶；第一周期起伏波导A1的细口端和第三周期起伏波导A3的粗口端采用聚四氟乙烯PTFE密封。
一种电场调控的双通道太赫兹滤波器的制作方法，所述方法包括以下步骤：
(1)使用MEMS深度光刻工艺在高密度聚乙烯上加工出波导结构以作为基底；
(2)利用CVD方法制作的带有微孔的双层石墨烯转移到高密度聚乙烯基底上；
(3)在石墨烯上涂一层聚四氟乙烯；
(4)利用MEMS深度光刻工艺在聚四氟乙烯上加工出波导结构；
(5)利用X-LIGA工艺在上述结构的聚四氟乙烯基底的外表面涂覆金层作为波导管壁；
(6)加热的方法除去高密度聚乙烯；
(7)将波导芯内填充上E7型液晶，再利用聚四氟乙烯将波导两个端口密封住。
所述步骤(3)中的聚四氟乙烯，其厚度不低于1μm。
所述步骤(4)中的波导结构，其厚度为1μm。
所述步骤(5)中的金层波导管壁，其厚度为1μm。
本发明的有益效果是：本发明实现了太赫兹波段的电场调控双通道滤波的功能；结构尺寸小、易于集成；损耗小，两个通带的透射系数均大于0.9。
附图说明
图1为电场调控的双通道太赫兹滤波器的结构示意图；
图2为电场调控的双通道太赫兹滤波器的整体结构图；
图3为电场调控的双通道太赫兹滤波器的右视图；
图4为电场调控的双通道太赫兹滤波器波导结构在不同外界电场强度下的透射谱图。
具体实施方式
附图说明：图中黑色部分为聚四氟乙烯(PTFE)，灰色部分为金(Au)，浅灰色部分为带有微孔的双层石墨烯(2G)，灰色带斜纹部分为波导芯内填充物质E7型液晶(LC)，“+”、“-”分别代表两个电极。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种电场可调的双通道太赫兹滤波器，它是由三段周期起伏波导(波导A1、A2和A3)和两段圆柱形直波导(波导B1和B2)，以A1-B1-A2-B2-A3的顺序连接而成的一个整体的波导型结构。
周期起伏波导的半径沿轴向是呈周期性改变的，这里设置α为起伏系数、r0为平均半径、即周期结构波导管壁半径为(1±α)r0，l为一个起伏周期的长度，波导A1，A2和A3的平均半径和周期长度是相同的，但起伏系数不同，即具有不同的模式共振特性，它们的起伏系数分别为α1、α2和α3，其中波导A1和波导A3具有5个周期长度，而波导A2只有3个周期长度；波导B1和波导B2的长度相同，波导B1的半径与波导A1的粗端口半径相同，波导B2的半径与波导A2的粗端口半径相同。
由于周期结构波导两个端口半径大小不同，在组成整体波导结构时具有多种连接方式可选择，这里选择的连接方式为：A1(粗端口)+B1+(细端口)A2(粗端口)+B2+(细端口)A3。
三个周期性起伏结构波导的结构参数是由如下共振条件给出的：
Figure BDA0002300958860000041
这里ω＝2πf为圆频率，f为设定的共振频率，v为光在周期起伏波导中的传播速度，2.4048为一阶贝塞尔函数的第一个零点，r0为平均半径，l为一个周期的长度，这里将共振频率设为0.85THz，得到了周期结构波导的结构参数，平均半径为r0＝143μm，周期长度为l＝131μm。这里周期结构波导A1、A2和A3的起伏系数分别为0.105、0.1和0.11，波导B1、B2的半径分别为1.105r0和1.1r0，两个圆柱波导的长度相同为60μm。
这三个周期起伏波导分别在0.7164-0.9360THz、0.7064-0.9381THz和0.6983-0.9399THz产生了禁带，故三个周期起伏波导在0.7164-0.9360THz之间的禁带是重合的，但是使用两个圆柱形的波导将这三个周期起伏波导连接成一个整体之后，在0.7164-0.9360THz这个重合的禁带中产生了两个极窄的透射峰，其中心频率分别为0.8337THz和0.8583THz。
本发明实现双通滤波的机理如下：特定频率的太赫兹波在两圆柱形波导处发生了局域共振，从而使太赫兹波能量在两圆柱形波导和周期结构波导A2之间振荡累积，使原本处于三个周期结构禁带内的太赫兹波通过由五个波导组合后的结构，从而实现滤波功能。
液晶材料具有双折射特性，其有效折射率直接受到分子的转向角控制，这里的分子转向角可以被外界电磁场所改变，所以液晶材料的有效折射率可以被电磁场直接控制。当外界电场大于其阈值的时候，液晶分子转角开始发生转变，对于E7型液晶，随着外界电场的增强，其分子是逐渐趋于平行于电场方向进行转变的。这里通过人为的干预(如外加电磁场的方式)，使液晶分子的初始方向平行于波导的轴线方向，本发明中设计的两个电极得到的电场方向是沿着波导径向分布的，这就意味着当外界电场强度大于其阈值后，液晶分子将会慢慢趋于平行于径向转动。本发明中的太赫兹波的偏振方向平行于所施加的外界电场的方向，且传播方向平行于轴线方向，这样当液晶分子发生转动后，太赫兹波的传播方向与液晶分子出现了夹角θ，液晶的有效折射率会随θ的增大而增大，即随着外界电场强度的增加液晶有效折射率是逐渐变大的，这样将导致两个透射峰向低频移动，实现了电场调控的功能。
本发明进一步描述如下：
一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，包括三段管壁为周期起伏的波导(波导A1、A2和A3)和两段圆柱形直波导(波导B1和B2)组成，这五个波导的排列方式依次为A1-B1-A2-B2-A3。
周期起伏波导的两个端口的半径是不同的，分别命名为细端口和粗端口，这里的选择的连接方式为：A1(粗端口)+B1+(细端口)A2(粗端口)+B2+(细端口)A3。
三个周期波导A1、A2和A3的平均半径和周期长度是相同的，但具有不同的起伏系数，即具有不同的模式共振特性。
直波导B1的半径与周期波导A1的粗端口半径相同，直波导B2的半径与周期波导A2的粗端口半径相同，波导B1和波导B2具有相同的长度。
管壁包括三层结构，由外到内为金属层、基底层和弧形石墨烯电极层，波导选用的均是在太赫兹波段的低损耗材料，管壁材料为金、银或铝；基底材料为聚四氟乙烯；电极材料为石墨烯；波导芯内填充材料为E7型液晶。
金属波导管壁和两个电极分别在聚四氟乙烯基底的外侧和内侧，其中金属波导管壁层厚度为1μm；两个对称的弧形石墨烯电极贴放在基底层内侧，厚度小于1nm，各对应的弧度为2π/3，两电极部分及其基底要长于波导结构以便于施加电压。
一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，如图1所示为本发明在理论计算时所用的结构剖面图，A1、A2和A3分别代表三段周期起伏波导，B1和B2分别代表两段圆柱形直波导，r0为周期起伏波导的平均半径，l为周期起伏波导的一个周期长度，l1为两个圆柱形波导的长度；其中三段周期起伏波导的起伏系数不同，波导A1和A3为5个周期，波导A2为3个周期，波导B1、B2的半径分别为1.105r0和1.1r0；灰色带斜纹部分表示波导芯内填充的物质E7型液晶(LC)，黑色部分代表的是基底和两端密封液晶的材料为聚四氟乙烯(PTFE)，灰色部分代表管壁为金(Au)，浅灰色部分代表电极材料为带有微孔的双层石墨烯(2G)。
本发明中的波导型太赫兹滤波器的具体结构参数如下：周期起伏波导平均半径为143μm，周期长度为131μm，波导A1、A2和A3的起伏系数分别为0.105、0.1和0.11，波导B1、B2的半径分别为1.105r0和1.1r0，两个圆柱形直波导的长度相同为60μm。
这里选择太赫兹信号的入射端口为波导A1端，接收端口为波导A3端。当没有外界电场存在时，这种波导结构的太赫兹滤波器会得到两个极窄的透射峰，其中心频率分别为0.8337THz和0.8583THz，当外界存在电场，且电场强度大于使液晶分子发生偏转的阈值电压时，随着电场强度的增加两个透射峰均向低频移动，当外界电场强度增加到7kV/m时，两个透射峰的中心频率分别移动到了0.7919THz和0.8152THz。这样就实现了电场对双通带滤波器的调谐功能，两个通道分别获得了41.8GHz和43.1GHz的可调带宽。
本发明的具体制作方法如下：使用MEMS深度光刻工艺在高密度聚乙烯上上加工出本发明中的波导结构以作为基底，这里将波导A3端的电极及其基底加工的长于波导结构以便于施加电压，将利用CVD等方法制作的带有微孔的双层石墨烯转移到高密度聚乙烯基底上，在石墨烯上涂一层聚四氟乙烯(厚度大于1μm)；再利用MEMS深度光刻工艺在聚四氟乙烯上加工出波导结构，其厚度为1μm，成型之后利用X-LIGA工艺在上述结构的聚四氟乙烯基底的外表面涂覆金层作为波导管壁，厚度为1μm；然后利用加热的方法除去高密度聚乙烯；最后利用毛细作用将波导芯内填充上E7型液晶，再利用聚四氟乙烯将波导两个端口密封住。
综上所述，本发明提供了一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，包括三段管壁为周期起伏的波导(波导A1、A2和A3)和两段圆柱形直波导(波导B1、B2)。管壁包括三层结构，由外到内为金属层、介质基底层和弧形石墨烯电极层，波导芯内部填充液晶。本发明利用波导耦合实现双通道滤波，并通过改变加在石墨烯电极上的电压实现对液晶折射率的改变从而实现滤波频率的调控。本发明具有传输损耗低、抗干扰能力强、信噪比高、结构紧凑、可重复使用等优点，适合应用于小体积的太赫兹集成系统。本发明在太赫兹波段具有双通道可调控(可调带宽分别为41.8GHz和43.1GHz)的滤波特性，可满足多种频率滤波的需求。
以上所述的实施案例仅用于说明本发明，其中太赫兹信号的入射端口和接收端口是可以互换的，结构尺寸是可以变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行同等变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，包括5段不同结构的波导，其特征在于：第一周期起伏波导A1，第二周期起伏波导A2，第三周期起伏波导A3，第一圆柱形直波导B1，第二圆柱形直波导B2，五个波导的连接方式为：A1粗端口—B1—A2细端口—A2粗端口—B2—A3细端口；周期起伏波导A1、A2和A3的半径起伏系数不同，即它们的粗半径和细半径不相同，第一圆柱形直波导B1的半径与第一周期起伏波导A1的粗端口半径相同，第二圆柱形直波导B2与第二周期起伏波导A2的粗端口半径相同，第一圆柱形直波导B1和第二圆柱形直波导B2的长度相同。
2.根据权利要求1所述的一种电场调控的双通道太赫兹滤波器，其特征在于：所述电场调控的双通道太赫兹滤波器的波导管壁由三层物质组成，包括聚四氟乙烯PTFE基底内部的弧形带有微孔的双层石墨烯电极层，聚四氟乙烯PTFE基底层，和在聚四氟乙烯PTFE基底外表面涂覆的金层或银层或铝层作为波导外管壁，波导管内填充有E7型液晶。
3.一种权利要求1或2所述的电场调控的双通道太赫兹滤波器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)使用MEMS深度光刻工艺在高密度聚乙烯上加工出波导结构以作为基底；
(2)利用CVD方法制作的带有微孔的双层石墨烯转移到高密度聚乙烯基底上；
(3)在石墨烯上涂一层聚四氟乙烯；
(4)利用MEMS深度光刻工艺在聚四氟乙烯上加工出波导结构；
(5)利用X-LIGA工艺在上述结构的聚四氟乙烯基底的外表面涂覆金层作为波导管壁；
(6)加热的方法除去高密度聚乙烯；
(7)将波导芯内填充上E7型液晶，再利用聚四氟乙烯将波导两个端口密封住。
4.根据权利要求3所述的种电场调控的双通道太赫兹滤波器的制作方法，其特征是：所述步骤（3）中的聚四氟乙烯，其厚度不低于1μm。
5.根据权利要求3所述的种电场调控的双通道太赫兹滤波器的制作方法，其特征是：所述步骤（4）中的波导结构，其厚度为1μm。
6.根据权利要求3所述的种电场调控的双通道太赫兹滤波器的制作方法，其特征是：所述步骤（5）中的金层波导管壁，其厚度为1μm。
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