CN112563697B - 一种太赫兹宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带的动态可调太赫兹滤波器，由多个微米级别的结构单元排列形成，所述结构单元采用介质‑金属/石墨烯‑介质‑金属/石墨烯‑介质夹层的方式设计。得到的宽带滤波器在2.11THz‑3.60THz范围内，透射率均在80％以上，在2.54THz‑2.76THz范围内透射率均在90％以上。本发明的太赫兹滤波器不仅具有较高的透射率，而且半波全宽频率达到了2.02THz，解决了目前在大幅度频段范围内不能高效率进行太赫兹波信号选择的问题，能够消除干扰信息，提高系统精度。

Description

一种太赫兹宽带滤波器

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹宽带滤波器及其使用方法和制备方法。

背景技术

太赫兹波(Terahertz，简称THz)的频率范围是0.1THz到10THz，在信息通信、物体成像、医学诊断和安全等领域有着广泛的应用潜力。在太赫兹的应用技术中，某些特定波段会具有特征性识别，而当中会存在不可避免的扰动信号，这就需要太赫兹滤波器来消除，从而提高系统的性能，因此太赫兹滤波器是太赫兹应用技术的重要器件。

目前，也有许多关于太赫兹滤波器的研究，但是现有技术多为带阻滤波器，并且滤波谱线不太理想，色散也比较大，例如Yi-Ju Chiang等人设计了单层金属-介质-金属夹层结构，实现0.5THz带宽的滤波器，透射效果不高，仅有75％；Dandan Sun等人采用单层金属介质得到约0.2THz宽带的滤波器，在带宽方面又缺少调控。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明通过对太赫兹滤波器的微结构单元进行结构设计与优化，提出了一种具有超宽的带宽频率，高透射率以及动态可调的太赫兹滤波器。

具体通过以下技术方案实现：

一种太赫兹滤波器，包括金属和介质层，所述太赫兹宽带滤波器由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元由下往上依次包括第一介质层、第一金属石墨烯结构层、第二介质层、第二金属石墨烯结构层和第三介质层，多层夹杂结构，会使得多共振光谱响应源于不同层之间沿传输方向的纵向耦合，导致宽带更宽并且更平坦；所述第一金属石墨烯结构层和第二金属石墨烯结构层分别包括一个方环形金属结构、一个方环形石墨烯结构以及一个方形金属结构，在所述第一金属石墨烯结构层和第二金属石墨烯结构层中，所述方环形金属结构、方环形石墨烯结构以及方形金属结构由外侧向中心依次设置。

进一步地，第一介质层的厚度为9μm-11μm，第二介质层的厚度为11μm-13μm，第三介质层的厚度为14μm-16μm；所述介质层长度为50μm-60μm，所述介质层宽度为40μm-50μm；所述方形金属结构的边长为7μm-9μm，所述方环形石墨烯结构的环距为4μm-6μm，所述方环形金属结构的环距为4μm-6μm。这些参数范围均是针对折射率进行的优化，使用这些范围内的参数能够获得更优的折射率。

优选地，所述方环形金属结构一条边的长度与所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的宽度分别相等，这种情况下，能够提高滤波效果。

优选地，所述方环形石墨烯结构的环距与所述方环形金属结构的环距相等，方环形石墨烯结构的环距与所述方环形金属结构的环距的大小关系影响着太赫兹宽带滤波器的滤波效果，当二者相等时，能够得到较高的透射率。

优选地，所述方环形石墨烯结构的外围四周与所述方环形金属结构的内围四周之间留有间隙，所述间隙宽度小于方环形石墨烯结构的环距，保持间隙能够激发表面等离子激元的耦合行为，从而有助于太赫兹宽带滤波器的动态调节。

优选地，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的厚度依次递增，依次递增的厚度，使得光程不同，同样也会影响着滤波效果，能够提高透射率。

进一步地，所述方环形金属结构的材料为金、铝或者银。

进一步地，所述介质层的介电常数为2.8-3.2，介电常数为3.0能够达到最优的效果。因为介质层的介电常数会影响介质内自由电荷的漂移运动，从而影响其与金属之间作用的。

针对上述太赫兹滤波器，由于石墨烯的优良性能，具有新颖的光学和电学性质，在太赫兹模式下，石墨烯的行为类似于金属，并支持表面等离振子共振，所以改变所述方环形石墨烯结构的费米能级，即改变其通电电压，可以用于滤波器的动态调节。因此，本发明还提供所述的太赫兹宽带滤波器的使用方法，包括将所述太赫兹宽带滤波器置于光路中，以及根据对透射率的要求，调节所述方环形石墨烯结构的通电电压的步骤。这样就通过改变方环形石墨烯结构的通电电压来改变石墨烯结构的费米能级，实现了太赫兹宽带滤波器透射率的动态调节功能。

针对上述太赫兹滤波器，由于方环形金属结构的厚度也影响着太赫兹宽带滤波器的滤波效果，因此，本发明还提供一种所述的太赫兹宽带滤波器的制备方法，包括根据需要的带宽选择对应的方环形金属结构的厚度以及将所述方环形金属结构设置在所述第一介质层上和所述第二介质层上的步骤。如此可以制备获得针对特定频率和特定透射率需求的太赫兹滤波器。

本发明与现有的太赫兹滤波器相比具有如下优点：

1.本发明具有超宽的带宽频率，半波全宽2.02THz；

2.本发明具有高透射效率，在2.11THz-3.60THz范围内，透射率均在80％以上，在2.54THz-2.76THz范围内透射率均在90％以上；

3.加入高性能材料石墨烯实现了动态可调谐，半波全宽频率可调范围为1.33THz-2.02THz，最高透射率调节范围为69.99％-90.40％，可以在特定的大频段内抑制更多的干扰信号，且可控制通带位置；

4.制备本发明的太赫兹宽带滤波器时，可以根据需要的带宽选择对应的方环形金属结构的厚度，从而选择所需的透射率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为太赫兹滤波器立体结构示意图；

图2为太赫兹滤波器的结构面示意图；

图3为太赫兹滤波器透射光谱图；

图4为太赫兹滤波器透射率可调光谱图；

图5为太赫兹滤波器带宽动态可调光谱图；

图6为实施例2所述的太赫兹滤波器透射光谱图；

图7为实施例3所述的太赫兹滤波器透射光谱图。

附图标记：

1-第一介质层；2-第一金属石墨烯结构层；3-第二介质层；4-第二金属石墨烯结构层；5-第三介质层；6-方环形金属结构；7-方环形石墨烯结构；8-方形金属结构。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种太赫兹宽带滤波器，由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元的尺寸在微米级别，所述微结构单元的结构采用介质-金属/石墨烯-介质-金属/石墨烯-介质夹层的方式，运用了三层介质、两层方环形金属结构的设计，多层夹杂结构，会使得多共振光谱响应源于不同层之间沿传输方向的纵向耦合，导致宽带更宽并且更平坦。由于石墨烯的优良性能，具有新颖的光学和电学性质，在太赫兹模式下，石墨烯的行为类似于金属，并支持表面等离振子共振，所以在每层金属间增加石墨烯环带，可以用于滤波器的动态调节。

参见图1，本发明所述的微结构单元由下往上依次包括第一介质层1、第一金属石墨烯结构层2、第二介质层3、第二金属石墨烯结构层4、和第三介质层5。

第一介质层1的厚度为h1，第二介质层3的厚度为h2，第三介质层5的厚度为h3，每层介质层的第一长度为Px，每层介质层的第二长度为Py。h1的变化范围为9μm-11μm，h2的变化范围为11μm-13μm，h3的变化范围为14μm-16μm,Px的变化范围为50μm-60μm，Py的变化范围为40μm-50μm。

如图2，图2展示了太赫兹滤波器的结构面示意图。所述金属石墨烯结构层包括一个方环形金属结构6、一个方环形石墨烯结构7以及一个方形金属结构8，在所述第一金属石墨烯结构层2和第二金属石墨烯结构层4中，所述方环形金属结构6、方环形石墨烯结构7以及方形金属结构8由外侧向中心依次设置。“方环形”包括正方形式的环形或矩形式的环形。

定义“环距”是方环形金属结构6或方环形石墨烯结构7的外周边与内周边的垂直距离，则所述方环形金属结构6的环距为ω，厚度为z，外周边长为f。所述的方环形石墨烯结构7的环距为t，外周边长为d，其费米能级为Г。所述的小方形金属结构8的边长为e。ω的变化范围为4μm-6μm；z的变化范围为0.1μm-2μm；f的变化范围为40μm-50μm；t的变化范围为4μm-6μm；d的变化范围为25μm-35μm；Г的变化范围为0eV-0.5eV；e的变化范围为7μm-9μm。

介质层材料的介电常数为ε，ε的变化范围为2.8-3.2；所述方形金属结构8的材料为金或者铝或者银。

太赫兹宽带滤波器的尺寸与其工作频率相关联，上述范围内的尺寸对应的工作频率为0.5THz-4.5THz。

实施例1

本实施例中，方环形金属结构6具体为“口”形金属结构，方环形石墨烯结构7具体为“口”形石墨烯结构。每层介质层的第一长度Px相等，每层介质层的第二长度Py也相等，h1＝10μm，h2＝12μm，h3＝15μm，Px＝55μm，Py＝45μm，ω＝5μm，z＝0.2μm，f＝45μm，t＝5μm，d＝30μm，e＝8μm，石墨烯的费米能级初始选择0eV。

所述方环形金属结构6的材料为金，介电常数为4.561×10⁷S/m；所述介质层材料的介电常数为3.0，介电常数为3.0能够达到最优的效果，因为介质层的介电常数会影响介质内自由电荷的漂移运动，从而影响其与金属之间作用的；介质环境(空气)的介电常数为1。

由于石墨烯的优良性能，具有新颖的光学和电学性质，在太赫兹模式下，石墨烯的行为类似于金属，并支持表面等离振子共振，所以改变所述方环形石墨烯结构的费米能级，即改变其通电电压，可以用于滤波器的动态调节。因此，本发明还提供所述的太赫兹宽带滤波器的使用方法，包括将所述太赫兹宽带滤波器置于光路中，以及根据对透射率的要求，调节所述方环形石墨烯结构7的通电电压的步骤。这样就通过改变方环形石墨烯结构7的通电电压来改变石墨烯结构的费米能级，实现了太赫兹宽带滤波器透射率的动态调节功能。

由于方环形金属结构6的厚度也影响着太赫兹宽带滤波器的滤波效果，因此，还提供一种所述的太赫兹宽带滤波器的制备方法，包括根据需要的带宽选择对应的方环形金属结构6的厚度以及将所述方环形金属结构6设置在所述第一介质层1上和所述第二介质层3上的步骤。如此可以制备获得针对特定频率和特定透射率需求的太赫兹滤波器。

利用三维全波仿真软件CST微波工作室进行超材料结构的仿真，在波传播结构中，采用有限差分时间域方法进行了全波数值模拟，在沿x轴和y轴方向的周期边界条件和沿z轴的开放添加空间条件下进行模拟，探讨谐振模式和耦合行为。太赫兹波从结构的正上方照射，以入射角θ照射于该器件的微米结构阵列上表面，探讨TE偏振的光波情况，从而获得以下模拟实验数据。

首先，进行透射率与频率的探究，参见图3，图3为直入射(θ＝0)情况下，本发明的透射光谱图。其中横坐标为入射波的频率，纵坐标为透射率，工作频率范围为0.5-4.5THz。由该图可以观察到，在2.11THz-3.60THz范围内，透射率均在80％以上，在2.54THz-2.76THz范围内透射率均在90％以上，半波全宽频率达到了2.02THz。可见，本发明的太赫兹滤波器能够实现高透射率以及超宽的带宽频率。

其次，对本发明进行透射率与石墨烯费米能级关系的探究，参见图4，图4表示的是太赫兹滤波器透射率可调光谱图。在不改变带宽频率的情况下，石墨烯费米能级从0.15eV、0.1eV再到0eV，即逐渐降低石墨烯费米能级，可以发现，太赫兹滤波器的透射率逐渐增大，由此可见，可以通过调节石墨烯的通电电压，从而实现对透射率的调控。

最后，对本发明进行透射率与方环形金属厚度关系的探究，参见图5，图5表示的是太赫兹滤波器带宽动态可调光谱图。在不改变带宽频率的情况下，分别用金属石墨烯结构层中方环形金属厚度为0.2μm、3μm、6μm、9μm、12μm进行模拟，即逐渐增加方环形金属的厚度，可以发现，得到的带宽频率逐渐减小。由此可见，可以通过调节金属石墨烯结构层中方环形金属的厚度，来选择带宽频率。

实施例2

本对比例与实施例1的区别在于：

所述“口”形金属结构的外周边长与介质层的宽度不一致，f＝45μm，Py＝Px＝55μm，进行模拟，得到图6，图6与图3相比，在0.5-4.5THz工作频率范围内，透射率出现了无规律的波动，并且波动范围很大；在1.1-1.5THz以及4.2-4.4THz频率范围内，滤波器的透射率极低，几乎为0，由此可见，本实施例的滤波效果没有实施例1的效果好，因此，“口”形金属结构的外周边长与介质层的宽度一致时，滤波效果增强。

实施例3

本对比例与实施例1的区别在于：

三层电介质的厚度都相等，h1＝h2＝h3＝10μm或h1＝h2＝h3＝12μm或h1＝h2＝h3＝15μm。

进行模拟，得到图7，图7与图3相比，在0.5THz-1.5THz以及3.3THz-4.5THz附近，透射率均低于20％，甚至降为0，在0.5-4.5THz工作频率范围内，透射率的最高值只能达到60％，远不如实施例1能达到的最高透射率90.40％，所以本实施例与实施例1相比而言，本实施例的滤波效果不太理想。

此外，经过仿真模拟发现，“口”形金属结构的环距ω与“口”形石墨烯结构的环距t不一致时，滤波效果略变差。

综上所述，本发明提供了一种太赫兹滤波器，由于采用介质-金属的多层太赫兹超材料结构，利用多层介质增加共振峰而表现频带扩展的方法，得到高带宽和高滤波效率的性能，并通过加入石墨烯达到动态调控的效果。这一高性能的太赫兹滤波器结构，在信息通信、物体成像、医学诊断和安全等太赫兹应用领域发挥重要作用，可以在某一频段范围内抑制更多的干扰信号，并且可控制通带位置，提高应用系统的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太赫兹宽带滤波器，包括金属和介质层，其特征在于，

所述太赫兹宽带滤波器由多个微结构单元排列形成，所述微结构单元由下往上依次包括第一介质层、第一金属石墨烯结构层、第二介质层、第二金属石墨烯结构层和第三介质层；

所述第一金属石墨烯结构层和第二金属石墨烯结构层分别包括一个方环形金属结构、一个方环形石墨烯结构以及一个方形金属结构，在所述第一金属石墨烯结构层和第二金属石墨烯结构层中，所述方环形金属结构、方环形石墨烯结构以及方形金属结构由外侧向中心依次设置；

所述方环形金属结构一条边的长度与所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的宽度分别相等。

2.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，

第一介质层的厚度为9μm-11μm，第二介质层的厚度为11μm-13μm，第三介质层的厚度为14μm-16μm；

所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的长度为50μm-60μm，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的宽度为40μm-50μm；

所述方形金属结构的边长为7μm-9μm，所述方环形石墨烯结构的环距为4μm-6μm，所述方环形金属结构的环距为4μm-6μm。

3.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，所述方环形石墨烯结构的环距与所述方环形金属结构的环距相等。

4.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，所述方环形石墨烯结构的外围四周与所述方环形金属结构的内围四周之间留有间隙，所述间隙宽度小于所述方环形石墨烯结构的环距。

5.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的厚度依次递增。

6.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，所述方环形金属结构的材料为金、铝或者银。

7.根据权利要求1所述的太赫兹宽带滤波器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层和第三介质层的介电常数为2.8-3.2。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的太赫兹宽带滤波器的使用方法，其特征在于，包括将所述太赫兹宽带滤波器置于光路中，以及根据对透射率的要求，调节所述方环形石墨烯结构的通电电压的步骤。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的太赫兹宽带滤波器的制备方法，其特征在于，包括根据需要的带宽选择对应的方环形金属结构的厚度以及将所述方环形金属结构设置在所述第一介质层上和所述第二介质层上的步骤。

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