CN115509060A - 一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，包括高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上相对称的设置有两个U形金属环，U形金属环的开口相对设置，两个U形金属环的两侧相对称的设有两个矩形金属片，其中一个U形金属环的一端设置有缺失段，所述缺失段上填充有二氧化钒温敏材料；所述滤波器结构能够隔开宽通带以产生两个窄通带。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学调控器件领域，特别是涉及一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构。
背景技术
太赫兹波(THz)是指频率范围为0.1THz到10THz的电磁波谱，处在电子学和光子学交叉区域。与其他频段的电磁波相比，表现出一系列特殊的电磁性质。太赫兹波具有非电离和相干特性，不会破坏被探测物质的内部结构及本征属性，也不会对人体造成伤害，因此太赫兹波成像可广泛用各类安全和健康监测，在国家安全、医学诊断，质量检测等领域都具有重要意义。
为实现太赫兹技术的广泛应用，除了有效地产生和探测太赫兹波以外，在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，还需滤除不需要的频率范围和噪声，提高系统的性能。近几年来，滤波技术是现代信号处理中信号检测与参数提取的一个重要组成部分，其研究的基本问题就是根据接收机接收到的目标信号或者反射信号，滤除接收信号中的各种噪声得到真实的信号。太赫兹滤波器因而成为实现太赫兹技术广泛应用的重要元件。
通信系统往往需要通过一个波束发射多个不连续信道的频率信号，这就需要双通带甚至多通带滤波器。过去常见的单频段通信系统已不能很好地满足通信系统的小型化、集成化等要求。为了提高频谱利用率，在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段显得十分必要。国内外学者们重视对多通带滤波器的研究与设计，在这方面取得了丰硕的成果。
超表面(Metasurface)，又称超构表面，是一种由平面亚波长人工单元按照一定规律排列所构成的人工电磁材料，具有许多传统材料所不具备的电磁响应特性。超材料具有高度的设计灵活性和相对简单的制备过程，因此被广泛应用于滤波器设计。超材料滤波器是通过合理的设计超材料的几何结构和几何参数使其与入射的电磁波分别产生电谐振与磁谐振，在谐振频率处，绝大部分入射波发生反射与吸收从而形成阻带，在非谐振频率处，入射波透射过超材料形成通带，从而实现对太赫兹波的调控。高性能的超表面是调控太赫兹波的关键，可用于实现高性能的多通带滤波器，基于超材料的太赫兹滤波器研究为太赫兹滤波器的发展和应用带来了新的机遇。但目前的超表面滤波器，一旦结构确定，它只能具有静态和独特的特性，无法实现动态调节。
连续体中的束缚状态(BIC)是一个强大的相互作用，近年来被引入到超表面系统，并可以陷阱的能量电磁波的波长大于衍射极限的超表面没有辐射泄漏。连续域束缚态(Bound State in the Continuums,BIC)作为一种能够支持用于增强非线性光学响应的高品质因子(Q)超表面的物理机制出现。BICs是嵌入在与辐射模式共存的连续光谱中的高度局部化状态，可以将能量带走，而没有任何辐射。真正的BICs不可用，只能存在于数学模型中。对于周期性排布的超构表面，如果晶格单元是对称的，则每个谐振布洛赫波可以支持与连续域束缚态(BICs)相关联的无泄露模式。当系统在理想情况下受到一点干扰时，BIC模式将耦合到扩展波并泄漏到具有有限高Q因子的Fano谐振，即所谓的“准BIC”。另外，通过调节超表面单元的对称性参量，可以调控光响应的幅值、频率、线宽以及Q因子。利用准BICs和等离子体极化激元产生的光学共振，可同时调谐超构表面的多个非线性光学信号。由于高Q因子，支持BICs的超表面在激光器、传感器、滤波器和非线性光学方面具有潜在的应用前景。
因此未来无线和卫星通信系统要求使用具有很高Q值的滤波器，然而当下大部分滤波器都无法获得超高Q因子共振模式。且目前已设计和制备出的太赫兹超材料滤波器对电磁波的响应主要取决于结构单元，其形状和尺寸一旦确定，所对应的工作波长和带宽也固定，只能在有限的工作带宽内实现单一功能，严重地制约和限制应用范围。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，通过对称破损实现连续域束缚态(BICs)到准连续域束缚态(quasi-BICs)的转变，产生非线性响应，实现多频带透射通路的功能，并通过集成可调介质材料实现对太赫兹波动态调控，进而实现对电磁特性的实时控制和动态调谐，以得到可调谐太赫兹非线性电磁超表面的滤波器结构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，包括高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上相对称的设置有两个U形金属环，U形金属环的开口相对设置，两个U形金属环的两侧相对称的设有两个矩形金属片，其中一个U形金属环的一端设置有缺失段，所述缺失段上填充有二氧化钒温敏材料；所述滤波器结构能够在垂直于矩形金属片的偏振方向下产生四个窄通带。
进一步的，对称且存在缺失段的U形金属环和对称的矩形金属片相互作用的近场耦合能够激发两个矩形金属片的LC共振，并产生一个阻带，最终隔开宽通带以产生位于0.76THz和0.86THz的两个窄通带。
进一步的，对称且存在缺失段的U形金属环自身能够激发连续域束缚态，在0.53THz产生一个法诺共振引起的窄通带；在位于1.18THz的通带是由对称的矩形金属片产生高阶连续域束缚态激发U形金属环而产生。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明滤波器结构通过对称破损实现连续域束缚态(BICs)向具有超高质量因子的准连续域束缚态(quasi-BICs)的转变，产生尖锐的法诺共振，在宽的通带内获得窄的阻带，从而实现多带通滤波功能，多通带滤波器能够满足通信系统通过一个波束发射多个不连续信道的频率信号的需要，满足通信系统的小型化、集成化等要求，同时提高了频谱利用率。
2.本发明滤波器结构特有的U形金属环结构导致的LC共振，对特定频率太赫兹波产生吸收，从而实现带阻滤波功能，实现高效的太赫兹滤波功能，有效滤除接收信号中的各种噪声得到真实的信号。
3.温敏材料二氧化钒的加入使得滤波器具有多通带的滤波开关功能，能够通过温度控制两个通带的开和关。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明滤波器结构在不同工作温度下对不同频率太赫兹信号的透射率。
图3是不同对称破损程度下滤波器结构的透射率。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，包括高阻硅衬底，高阻硅衬底上相对称的设置有两个U形金属环，U形金属环的开口相对设置，两个U形金属环的两侧相对称的设有两个矩形金属片，整体在高阻硅衬底上形成一完全对称的超构表面；其中一个U形金属环的一端设置有缺失段，缺失段上填充有二氧化钒温敏材料。
由于影响非线性响应的物理参量主要有对称性破缺程度、入射偏振状态和材料电导率。本发明通过调控对称性破缺程度和材料电导率，设计含有温敏材料的基于对称保护BIC的非线性超构表面，以实现太赫兹多通带滤波器的功能。其中U形金属环在图1所示的偏振方向上显示出典型的局域表面等离子体激元(LSP)共振，而在相同频率下支持电感-电容(LC)共振的两个U形金属环在该偏振方向不活跃。滤波器结构由于高阻硅衬底表面上对称控制的某些模式被禁止激发，仅在0.76THz和1.18THz处谐振。
本发明通过稍微破坏滤波器结构的对称性，在其中一个U形金属环的一端设置有缺失段，该不对称结构支持的不对称模式下的电磁场分布使得BICs转换为超尖锐的Fano共振，可以获得超高Q因子共振模式，并且Q因子可以很容易地通过不对称程度进行调整。对称且存在缺失段的U形金属环和对称的矩形金属片相互作用的近场耦合会激发两个U形金属环的LC共振，其破坏性干涉会产生一个尖锐的阻带，从而隔开宽通带以产生位于0.76THz和0.86THz附近的两个较窄的通带。对称且存在缺失段的U形金属环自身也会激发连续域束缚态，在0.53THz附近产生一个法诺共振引起的窄通带。在位于1.18THz附近的通带是由对称的矩形金属片产生高阶连续域束缚态激发U形金属环而产生的。
具体的，基于所设计的存在缺失段的滤波器结构，使用温敏材料将对称破损的部分补全，得到能够通过温度调控实现材料电导率变化，进而影响对称且带有缺失段的滤波器结构。本实施例所选择的温敏材料是二氧化钒，氧化钒(VO2)是一种典型的可逆相变材料，在室温呈现低电导率的绝缘态，温度达到68℃后相变为金属态，可用作可调介质，相变能够使VO2的电导率发生了近4个数量级的变化，而且温度下降后VO2可以由金属态变回到绝缘态，因此用作调控滤波器结构非线性响应的温敏开关。
图2中，滤波器结构在不同工作温度下对0.4THz到1THz频率的信号的透射率，证明了材料电导率对非线性响应的影响，证明本实施例中的滤波器结构在0.76THz和0.86THz附近实现了高效的太赫兹通道调控效果。
图3中，不同对称破损程度下滤波器结构的透射率变化，进一步证明了对称性破缺程度是影响非线性响应的重要物理参量。其中打破对称后的数值表示U形金属环中缺失段的长度。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，其特征在于，包括高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上相对称的设置有两个U形金属环，U形金属环的开口相对设置，两个U形金属环的两侧相对称的设有两个矩形金属片，其中一个U形金属环的一端设置有缺失段，所述缺失段上填充有二氧化钒温敏材料；所述滤波器结构能够在垂直于矩形金属片的偏振方向下产生四个窄通带。
2.根据权利要求1所述一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，其特征在于，对称且存在缺失段的U形金属环和对称的矩形金属片相互作用的近场耦合能够激发两个矩形金属片的LC共振，并产生一个阻带，最终隔开宽通带以产生位于0.76THz和0.86THz的两个窄通带。
3.根据权利要求1所述一种基于多通道调控非线性超表面的滤波器结构，其特征在于，对称且存在缺失段的U形金属环自身能够激发连续域束缚态，在0.53THz产生一个法诺共振引起的窄通带；在位于1.18THz的通带是由对称的矩形金属片产生高阶连续域束缚态激发U形金属环而产生。
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