CN114843724A - 光子晶体双带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光子晶体双带通滤波器，包括第一金属板、第二金属板、金属柱及缺陷金属柱，第一金属板与第二金属板对应设置，金属柱呈二维周期性排列于第一金属板及第二金属板之间，且金属柱的相对两端分别与第一金属板及第二金属板相接触，以构成金属柱阵列；缺陷金属柱的高度小于周围的金属柱的高度，缺陷金属柱包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱，以构成缺陷子周期结构，且缺陷子周期结构呈二维周期性排列于金属柱阵列中。本发明提出了一种光子晶体双带通滤波器，可用于未来6G通信和光通信的双带通滤波器，填补了这一领域的空白。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域，涉及一种光子晶体双带通滤波器。
背景技术
1969年，贝尔实验室的Miller博士提出了集成光学的概念。集成光学主要的研究目标是为了将体积庞大的自由空间光学系统集成至同一块基板上。其中，集成光学器件的尺寸随着频段的不同而变化，如毫米波频段一般在毫米量级，太赫兹(THz)频段主要在微米量级。集成光学器件具有功耗低、体积小的优点，同时由于集成后处于一个相对封闭的环境，受外界电磁辐射的干扰很小。在集成电路受到摩尔定律的约束，前景受限的背景下，光电子技术显示出巨大优势：集成光路中光子的速度远大于集成电路中电子的速度，而且具有更大的信息容量。
近几十年来，随着集成光路技术的迅速发展，被称为“光半导体”的光子晶体引起了人们的广泛关注。光子晶体是介电常数呈现周期性分布的周期性结构材料。与半导体的价带、导带、通带类似，光子晶体也存在着光子能带，当其周期性介电常数满足一定条件时，会禁止某些频率的光传输，称之为光子禁带。目前光子晶体已被人们用于滤波器的设计与研制。
自然界中，表面等离激元是电磁波与金属表面自由电子相互作用形成的自由电子-光子的集体震荡模式。其中，表面等离激元只能在介电常数实部符号相反的材料交界面才能存在，比如金属与空气的交界面等，表面等离激元可以分为两种类型，一种是在金属和电介质界面上传输的表面等离极化激元，另一种是局限在金属纳米粒子表面的局域表面等离激元。2004 年，J.B.Pendry等为了在微波毫米波段实现表面等离极化激元，在金属立方体中刻蚀周期性排列的空气孔实现了微波毫米波段的表面等离激元(Surface PlasmonPolariton，SPP)传输，这种结构被称为人工表面等离激元(Spoof Surface PlasmonPolariton，SSPP)。
随着现代无线通信技术发展，通信系统的带宽和通信速率不断增加，其通信频段必然上升到太赫兹频段。在5G及未来6G通信系统中，双频便携式电话和无线局域网被广泛应用，双通带滤波器将成为未来通信系统前端的重要部件。发展全固态、小型化、低功耗的双通带滤波器成为未来通信技术领域的重要研究课题，但当前关于光子晶体双通带和多带通滤波器的研究工作不多，其物理机制与研制技术亟需解决。
因此，提供一种光子晶体双带通滤波器，实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光子晶体双带通滤波器，用于扩大光子晶体的应用。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光子晶体双带通滤波器，所述光子晶体双带通滤波器包括：
第一金属板及第二金属板，所述第一金属板与所述第二金属板对应设置；
金属柱，所述金属柱呈二维周期性排列于所述第一金属板及第二金属板之间，且所述金属柱的相对两端分别与所述第一金属板及第二金属板相接触，以构成金属柱阵列；
缺陷金属柱，所述缺陷金属柱的高度小于周围的所述金属柱的高度，所述缺陷金属柱包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱，以构成缺陷子周期结构，且所述缺陷子周期结构呈二维周期性排列于所述金属柱阵列中。
可选地，所述金属柱等间距排布。
可选地，所述金属柱具有相同的横截面积，所述金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形。
可选地，所述第一缺陷金属柱等间距排布；所述第二缺陷金属柱等间距排布。
可选地，所述第一缺陷金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形；所述第二缺陷金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形。
可选地，所述金属柱、第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱具有相同的横截面形貌。
可选地，所述第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱具有相同的高度。
可选地，所述缺陷子周期结构所围成的结构的形貌包括直线型、弯曲型及T形中的一种。
可选地，所述第一金属板、第二金属板、金属柱及缺陷金属柱采用相同的材料，其中所述材料包括金金属、银金属、铜金属及铝金属中的一种。
可选地，所述金属柱的直径为d，高度为h，间距为a；所述第一缺陷金属柱的直径为da，高度为ha；所述第二缺陷金属柱的直径为db，高度为ha，且尺寸关系为d＝0.5a，da＝0.3a，db＝0.6a， ha＝0.83h，h＝a。
如上所述，本发明的光子晶体双带通滤波器，包括第一金属板、第二金属板、金属柱及缺陷金属柱，其中，所述第一金属板与所述第二金属板对应设置，所述金属柱呈二维周期性排列于所述第一金属板及第二金属板之间，且所述金属柱的相对两端分别与所述第一金属板及第二金属板相接触，以构成金属柱阵列；所述缺陷金属柱的高度小于周围的所述金属柱的高度，所述缺陷金属柱包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱，以构成缺陷子周期结构，且所述缺陷子周期结构呈二维周期性排列于所述金属柱阵列中。本发明通过第一金属板、金属柱及缺陷金属柱构成表面波光子晶体结构，且在所述表面波光子晶体结构的基础之上，通过结合所述第二金属板，从而可集成包括所述表面波光子晶体结构及金属- 绝缘体-金属结构的二维封闭式表面波光子晶体结构，以提供一种抗干扰性较强、集成度较高的二维封闭式表面波光子晶体结构，且在所述二维封闭式表面波光子晶体结构中，通过具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱所构成的缺陷子周期结构，提出了一种新型的双通带窄带通滤波器的设计与研制方案，可用于未来6G通信和光通信的双带通滤波器，填补了这一领域的空白。
附图说明
图1显示为本发明对比例中的表面波光子晶体结构的立体结构示意图。
图2显示为图1中沿C-C’获得的截面结构示意图。
图3显示为图1中的表面波光子晶体结构的波导传输系数示意图。
图4显示为图1中的表面波光子晶体结构的通带对应场分布示意图。
图5显示为图1中的表面波光子晶体结构的禁带透射峰对应的电场局域分布示意图。
图6显示为本发明实施例中的光子晶体双带通滤波器的立体结构示意图。
图7显示为图6的爆炸结构示意图。
图8显示为图6中的金属柱及缺陷金属柱的分布结构示意图。
图9显示为图6在沿图8中A-A’获得的截面结构示意图。
图10显示为图6在沿图8中B-B’获得的截面结构示意图。
图11显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在0.1THz频段工作时的波导模示意图。
图12显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在0.1THz频段工作时的传输系数示意图。
图13显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在0.1THz频段工作时的电场局域分布示意图。
图14显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在4.3THz频段工作时的波导模示意图。
图15显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在4.3THz频段工作时的传输系数示意图。
图16显示为图6中的光子晶体双带通滤波器在4.3THz频段工作时的电场局域分布示意图。
元件标号说明
100、10 第一金属板
200 第二金属板
300、30 金属柱
400、40 缺陷金属柱
410 第一缺陷金属柱
420 第二缺陷金属柱
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
如图6～图10，本实施例提供一种光子晶体双带通滤波器，所述光子晶体双带通滤波器包括第一金属板100、第二金属板200、金属柱300及缺陷金属柱400，其中，所述第一金属板 100与所述第二金属板200对应设置，所述金属柱300呈二维周期性排列于所述第一金属板 100及第二金属板200之间，且所述金属柱300的相对两端分别与所述第一金属板100及第二金属板200相接触，以构成金属柱阵列；所述缺陷金属柱400的高度ha小于周围的所述金属柱300的高度h，所述缺陷金属柱400包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420，以构成缺陷子周期结构N，且所述缺陷子周期结构N呈二维周期性排列于所述金属柱阵列中，其中M显示为所述光子晶体双带通滤波器的一个周期。
本实施例通过所述第一金属板100、金属柱300及缺陷金属柱400可构成表面波光子晶体结构，且在所述表面波光子晶体结构的基础之上，通过结合所述第二金属板200，可集成包括所述表面波光子晶体结构及金属-绝缘体-金属结构的二维封闭式表面波光子晶体结构，以提供一种抗干扰性较强、集成度较高的所述二维封闭式表面波光子晶体结构，且在所述二维封闭式表面波光子晶体结构中，通过具有不同横截面积的所述第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420所构成的所述缺陷子周期结构N，提出了一种新型的双通带窄带通滤波器的设计与研制方案，可用于未来6G通信和光通信的双带通滤波器，填补了这一领域的空白。
作为示例，所述金属柱300等间距a排布，但并非局限于此，所述金属柱300也可根据需要设置不等间距，此处不作过分限制。
作为示例，所述金属柱300具有相同的横截面积，所述金属柱300的横截面形貌可包括圆形、方形或椭圆形。
具体的，本实施例中所述金属柱300采用具有相同的横截面积，且横截面形貌为圆形，即所述金属柱300为具有相同半径d的圆柱状，但所述金属柱300的形貌并非局限于此，如根据需要，所述金属柱300也可采用方形、椭圆或圆形、方形及椭圆形中的任意组合，且所述金属柱300的尺寸也并非局限于相同。
作为示例，所述第一缺陷金属柱410等间距(未图示)排布，所述第二缺陷金属柱420 等间距排布，但并非局限于此，所述间距也可根据需要设置成不等间距，此处不作过分限制。
作为示例，所述第一缺陷金属柱410的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形；所述第二缺陷金属柱420的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形。
具体的，本实施例中所述第一缺陷金属柱410采用具有相同的横截面积，且横截面形貌为圆形，即所述第一缺陷金属柱410为具有相同半径da的圆柱状，如图9，但所述第一缺陷金属柱410的形貌并非局限于此，如根据需要，所述第一缺陷金属柱410也可采用方形、椭圆或圆形、方形及椭圆形中的任意组合。同理，所述第二缺陷金属柱420采用具有相同的横截面积，且横截面形貌为圆形，即所述第二缺陷金属柱420为具有相同半径db的圆柱状，如图10，但所述第二缺陷金属柱420的形貌并非局限于此，如根据需要，所述第二缺陷金属柱420也可采用方形、椭圆或圆形、方形及椭圆形中的任意组合。
作为示例，所述金属柱300、第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420具有相同的横截面形貌。
具体的，本实施例中，优选所述金属柱300、第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420 具有相同的横截面形貌，即优选所述金属柱300、第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420 均采用圆柱状，但并非局限于此。
作为示例，所述第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420具有相同的高度ha，但并非局限于此，具体可根据需要设置。
作为示例，所述缺陷子周期结构N所围成的结构的形貌包括直线型、弯曲型及T形中的一种，参阅图8，本实施例示意了呈直线型分布的所述缺陷子周期结构N，但所述缺陷子周期结构N的分布形貌并非局限于此。
作为示例，所述第一金属板100、第二金属板200、金属柱300及缺陷金属柱400采用相同的材料，其中所述材料可包括金金属、银金属、铜金属及铝金属中的一种，具体材质可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
作为示例，所述金属柱300的直径为d，高度为h，间距为a；所述第一缺陷金属柱410的直径为da，高度为ha；所述第二缺陷金属柱420的直径为db，高度为ha，且尺寸关系为d＝0.5a， da＝0.3a，db＝0.6a，ha＝0.83h，h＝a。
以下结合实验对所述光子晶体双带通滤波器的设计进行介绍，其中，有关所述光子晶体双带通滤波器的具体尺寸、形貌、材质等的选择此处不作限定，通过改变任意几何参数造成工作频段、色散曲线及其他结果的改变而未造成工作原理发生改变的均属于本专利范围。
参阅图1～图5，提供对比例及其实验结果，具体包括：
如图1所示，提供表面波光子晶体结构，该结构由两部分组成，下层是第一金属10，上层是由金属柱30(采用金属圆柱)及缺陷柱40(采用金属圆柱)构成的正方阵列。工作在0.1THz时，金属柱30之间的间距a’等于金属柱30的高度h’，即h’＝a’＝0.5mm，金属柱30 的半径r’＝0.25a’＝0.125mm，即d’＝0.5a’＝0.25mm，金属柱30的高度h’＝0.5mm，缺陷柱40的半径r’＝0.25a’＝0.125mm，即d’＝0.5a’＝0.25mm，且缺陷柱40的高度ha’＝0.83h’＝0.415mm。
当引入缺陷柱40后，根据光子晶体的光子禁带和光子局域特性即可构建光子晶体波导，此波导传输系数如图3所示，传输系数包括通带频段和禁带频段两部分，其通带频段(100GHz 为例)对应电场分布如图4所示，禁带透射峰(135GHz)对应电场分布如图5所示，可以看出此结构受到通带的限制，只能工作在单一频率，同时，由于其主要工作在金属圆柱的表面，而金属圆柱是裸露在外部环境中的，故其极易受到外部因素的干扰。
参阅图6～图16，提供实施例及其实验结果，具体包括：
如图6～图10，本实施例在上述对比例的基础上增加第二金属板200先构成二维封闭式表面波光子晶体结构，在所述二维封闭式表面波光子晶体结构的基础之上，通过在内部构造包括所述第一缺陷金属柱410及第二缺陷金属柱420的缺陷子周期结构N，提出了一种新型的双通带窄带通滤波器的设计与研制方案，可用于未来6G通信和光通信的双带通滤波器，填补了这一领域的空白。所述光子晶体双带通滤波器的几何结构如图6～图10，具体由上中下三层结构组成，上下均为金属板，中间为二维周期性排布的金属柱及缺陷金属柱，三层结构所用材料均为波导常用的金属，如银金属。其中，中间层周期结构俯视图如图8所示，虚框M 为所述光子晶体双带通滤波器的一个周期，其中，A-A’界面剖面图如图9所示，BB’界面剖面图如图10所示。所述金属柱300的直径为d，高度为h，间距为a；所述第一缺陷金属柱 410的直径为da，高度为ha；所述第二缺陷金属柱420的直径为db，高度为ha，且尺寸关系为d＝0.5a，da＝0.3a，db＝0.6a，ha＝0.83h，h＝a。
本实施例在同样的表面波光子晶体结构中，只需要在顶部加一个金属板，即可巧妙地将工作频率往低频方向大幅移动，同时可突破此光子晶体结构的禁带限制，即可大幅增大光子晶体集成光路的集成度。同时由于上下两块所述金属板的屏蔽效应，此结构几乎可以完全屏蔽光子晶体本身色散曲线中对应一阶模和二阶模的透射频率，从而只允许缺陷引入的波导模对应的频率通过，除了波导频率其他频点均被屏蔽掉，故其抗干扰性极强。实际上，由于微波毫米波太赫兹波段金属相当于一面全反射镜，则顶部的所述金属板即可充当一面镜子，以利用镜像法，实现目前的表面波光子晶体结构尺寸在增大2倍时才能实现的功能。
为了进一步说明本发明的创新点，在0.1THz频段和4.3THz频段进行了实际计算，其中 0.1THz对应尺寸h＝0.5mm，a＝0.5mm，圆柱半径r＝0.125mm，线缺陷波导中ha＝0.415mm，此结构在100GHz频段工作时其波导模如图11，传输系数如图12，其存在两个窄通带，分别工作于86GHz-102GHz和118.1GHz-128.8GHz两个频段，100GHz处场分布如图13所示。当在 4.3THz频段对应尺寸h＝11.64μm，a＝11.64μm，圆柱半径r＝2.91μm，线缺陷波导中ha＝9.66μm，此结构在4.3THz频段工作时其波导模如图14，传输系数如图15，其存在两个窄通带，分别工作于3.67THz-4.37THz和5.04THz-5.51THz两个频段，4.3THz处场分布如图16所示。
本发明在继承二维封闭式表面波光子晶体结构突破光子晶体通带的限制、高集成度、抗干扰性极强的基础之上，构建了双通带滤波器，进一步提升了其应用范围。
综上所述，本发明的光子晶体双带通滤波器，包括第一金属板、第二金属板、金属柱及缺陷金属柱，其中，所述第一金属板与所述第二金属板对应设置，所述金属柱呈二维周期性排列于所述第一金属板及第二金属板之间，且所述金属柱的相对两端分别与所述第一金属板及第二金属板相接触，以构成金属柱阵列；所述缺陷金属柱的高度小于周围的所述金属柱的高度，所述缺陷金属柱包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱，以构成缺陷子周期结构，且所述缺陷子周期结构呈二维周期性排列于所述金属柱阵列中。本发明通过第一金属板、金属柱及缺陷金属柱构成表面波光子晶体结构，且在所述表面波光子晶体结构的基础之上，通过结合所述第二金属板，从而可集成包括所述表面波光子晶体结构及金属- 绝缘体-金属结构的二维封闭式表面波光子晶体结构，以提供一种抗干扰性较强、集成度较高的二维封闭式表面波光子晶体结构，且在所述二维封闭式表面波光子晶体结构中，通过具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱所构成的缺陷子周期结构，提出了一种新型的双通带窄带通滤波器的设计与研制方案，可用于未来6G通信和光通信的双带通滤波器，填补了这一领域的空白。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种光子晶体双带通滤波器，其特征在于，包括：
第一金属板及第二金属板，所述第一金属板与所述第二金属板对应设置；
金属柱，所述金属柱呈二维周期性排列于所述第一金属板及第二金属板之间，且所述金属柱的相对两端分别与所述第一金属板及第二金属板相接触，以构成金属柱阵列；
缺陷金属柱，所述缺陷金属柱的高度小于周围的所述金属柱的高度，所述缺陷金属柱包括具有不同横截面积的第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱，以构成缺陷子周期结构，且所述缺陷子周期结构呈二维周期性排列于所述金属柱阵列中。
2.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述金属柱等间距排布。
3.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述金属柱具有相同的横截面积，所述金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述第一缺陷金属柱等间距排布；所述第二缺陷金属柱等间距排布。
5.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述第一缺陷金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形；所述第二缺陷金属柱的横截面形貌包括圆形、方形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述金属柱、第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱具有相同的横截面形貌。
7.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述第一缺陷金属柱及第二缺陷金属柱具有相同的高度。
8.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述缺陷子周期结构所围成的结构的形貌包括直线型、弯曲型及T形中的一种。
9.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述第一金属板、第二金属板、金属柱及缺陷金属柱采用相同的材料，其中所述材料包括金金属、银金属、铜金属及铝金属中的一种。
10.根据权利要求1所述的光子晶体双带通滤波器，其特征在于：所述金属柱的直径为d，高度为h，间距为a；所述第一缺陷金属柱的直径为da，高度为ha；所述第二缺陷金属柱的直径为db，高度为ha，且尺寸关系为d＝0.5a，da＝0.3a，db＝0.6a，ha＝0.83h，h＝a。
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