CN107015309A - 一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低损耗宽频带太赫兹波渐变型光子晶体滤波器。该滤波器包括由不同圆形硅介质柱呈正方晶格周期排列形成的二维光子晶体，在所述二维光子晶体滤波器中间位置设置有一个谐振腔，该谐振腔由3个介质柱构成，输入、输出通道和谐振腔位于一条水平线上，形成太赫兹波传播通道，介质柱均匀分布在太赫兹波传播通道上下两侧，呈对称结构，同一排介质柱尺寸相同，从中心到边缘介质柱半径逐渐增大，当太赫兹波通过输入通道到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波耦合进入谐振腔，得到耦合输出，实现380GHz‑438GHz频率范围内的宽频带滤波。

Description

一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹无源滤波器技术，具体是一种二维光子晶体的低损耗、宽频带滤波器。

背景技术

太赫兹波介于毫米波和红外光之间，频率在0.1THz到10THz范围内，对应波长范围为3mm到30μm。目前，太赫兹波频段尚未被分配，可为未来的大容量高速通信提供巨大的宽频带资源。光子晶体是一种由不同折射率的电介质材料在空间里周期性排列而形成的新型光学微结构，其基本特性是具有光子带隙，光波落在带隙中是被禁止传播的；另一个特性是具有光子局域性，当在光子晶体中引入缺陷或介电无序时，将打破光子晶体原有的对称性和周期性，在光子带隙中会出现缺陷态，与缺陷态频率相吻合的光波将被局域在缺陷态内。基于光子晶体的优良特性，将光子晶体技术应用到太赫兹通信器件滤波器的设计中提供了新的设计渠道。

光子晶体滤波器普遍是由波导和谐振腔组成的平面耦合结构构成。由于波导和谐振腔之间存在反射波衰减、谐振波干扰相消等损耗因子，对光波的传播产生不利影响。在380GHz-438GHz频段范围内采用填充率渐变型光子晶体结构，使得波导的有效折射率缓慢变化，继而减小光波传播的反射损耗。光子晶体谐振腔是破坏光子晶体周期性的点缺陷结构，调整点缺陷的介电常数和尺寸以改变谐振腔的谐振频率和模式，提高太赫兹波和谐振腔之间的耦合效率，实现频段范围内的宽频带滤波。

在太赫兹波段，硅介质具有低吸收系数，基本上为0.04cm^-1，折射率约为3.42。用硅介质制作太赫兹器件的一个重要原因是硅技术是现在最先进的半导体技术，如MEMS的制作技术，可以满足太赫兹无源器件的精密要求。相比于介质硅材料，金属具有较大吸收损耗。聚合物材料具有低介电常数，也可用于制作光子晶体滤波器，但由于孔径较小，对于制作相互平行的高纵深度比比较困难。相比之下，用硅介质制作光子晶体滤波器件无疑是众多研究学者常用的候选材料。然而，目前大部分光子晶体滤波器响应频段未处于太赫兹大气通信窗口，使其不能应用于太赫兹大气通信***，应用受限；根据国内外的研究进展，有关太赫兹波光子晶体滤波器的带宽相对较窄，较难适应宽频带、超高速的通信要求，这也是研究者迫切希望解决的关键问题之一。

发明内容

本发明针对在现有的缺乏应用于大气通信窗口频段以及响应带宽相对较窄的太赫兹光子晶体滤波器中存在的不足出发，提出了一种适用于380GHz-438GHz频段的低损耗、宽频带太赫兹渐变型光子晶体滤波器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种低损耗、宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器，包括不同的圆形介质柱呈正方晶格排列形成的二维光子晶体，在所述二维光子晶体滤波器中间位置设置有一个谐振腔，该谐振腔由3个介质柱构成，输入通道和输出通道分别位于谐振腔左右两侧，输入、输出通道和谐振腔位于一条水平线上，形成太赫兹波传播通道，介质柱均匀分布在太赫兹波传播通道上下两侧，呈对称结构，同一排介质柱尺寸相同，从中心到边缘介质柱半径逐渐增大，输入的信号为高斯径向分布的太赫兹波，当太赫兹波通过输入通道到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波耦合进入谐振腔，得到耦合输出，实现380GHz-438GHz频率范围内的宽频带滤波。

二维光子晶体沿着X-Z面呈正方晶格周期性排列，根据公式r₀＝0.18*a确定介质柱的半径r₀，介质柱的高度h＝279μm，其中，a为晶格常数。

介质柱以阵列呈正方晶格周期排列，根据公式r_i＝r₀/(1+i)确定位于太赫兹波传播通道两侧介质柱半径，其中，r₀为位于滤波器边缘一排介质柱半径，i＝1,2,3，介质柱的半径由纵向的边缘到中心依次为r₀、r₁、r₂、r₃，上下对称。

所述二维渐变型滤波器沿着中间一排介质柱呈对称结构，从中心到边缘相同排介质柱尺寸相同，但不同排介质柱尺寸依次增大，每排介质柱半径从中心到边缘依次最优可为10.16μm、12.70μm、20.32μm、45.72μm。

所述谐振腔中介质柱的材料为非线性晶体材料铌酸锂，该材料易于取得且具有高介电常数，有利于实现太赫兹波与谐振腔之间的耦合；其余二维介质柱的材料为高阻硅，该材料相比于金属，硅介质柱具有更低的色散和吸收损耗。

输入信号为径向高斯分布的太赫兹波。在二维光子晶体滤波器中，当太赫兹波到达谐振腔时，在谐振腔中会引起共振，能够共振的频率范围极小，只有当入射的太赫兹波频率和谐振腔的谐振频率达到一致时，该频率的波才能够保留下来，继而耦合进入谐振腔。太赫兹波在腔内发生反射、聚焦，形成谐振模式，然后把太赫兹波从输出通道直接耦合输出，实现所需频率范围内的滤波。

本发明提出的太赫兹波渐变型光子晶体滤波器通过在完整二维光子晶体结构中改变每排介质柱的半径来改变波导的有效折射率，减小太赫兹波在传播过程中的反射损耗。通过设置谐振腔结构实现局域选频作用，调整谐振腔中介质柱的尺寸以及相对介电常数等有效参数，提高太赫兹波和谐振腔之间的耦合特性，达到低损耗、宽频带滤波功能。本发明结构简单、设计巧妙，可广泛应用于宽频带太赫兹通信***。

附图说明

图1太赫兹波渐变型光子晶体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太赫兹波渐变型光子晶体滤波器透射谱线；

图4太赫兹波渐变型光子晶体滤波器稳态电场分布图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明做详细描述。本发明的太赫兹波渐变型光子晶体滤波器如图1所示，该滤波器包括由不同圆形硅介质柱呈正方晶格周期排列形成的二维光子晶体，在光子晶体中间水平移除一排介质柱形成太赫兹波传波通道，在通道中间位置设置由3个铌酸锂介质柱构成的谐振腔结构，水平通道被谐振腔分为水平输入通道和水平输出通道。整个二维光子晶体滤波器沿着中间一排介质柱呈对称结构，从中心到边缘，每排介质柱尺寸不变，不同排介质柱尺寸依次增大。该太赫兹二维光子晶体滤波器采用介质柱尺寸渐变结构，可减小太赫兹波在传播过程中的反射损耗；根据时域耦合膜理论分析，微调谐振腔中介质柱尺寸以及相对介电常数等有效参数，提高太赫兹波和谐振腔之间的耦合效率，实现380GHz-438GHz频率范围内的低损耗、宽频带滤波。

图1所示为太赫兹波渐变型光子晶体滤波器平面结构示意图。滤波器包括二维光子晶体(1)、谐振腔(2)、水平输入通道(3)、水平输出通道(4)。

本实施例1以二维光子晶体介质柱(1)以7×11阵列呈正方晶格周期排列为例加以说明，在该光子晶体中间通过水平移除一排介质柱来形成太赫兹波传播通道，在通道中间位置设置谐振腔，谐振腔由3个介质柱构成。引入的谐振腔结构将水平传播通道分为水平输入通道(3)和水平输出通道(4)。

二维渐变型光子晶体滤波器沿着中间一排介质柱呈对称结构，从中心到边缘分布多排介质柱，位于同排介质柱的尺寸相同，从内向外位于不同排的介质柱尺寸依次增大。其中，晶格常数a＝254μm，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，波导端口选用的是国际标准波导端口WR2.2，因此介质柱的高度最优可设置为h＝279μm。光子晶体介质柱材料为高阻硅，其折射率为n＝3.42，介质柱的半径最优可选为r₀＝0.18*a。

在图1二维光子晶体滤波器的平面结构中，设每排介质柱的半径由纵向的边缘到中心依次为r₀、r₁、r₂、r₃，此种二维光子晶体结构被称为填充率渐变型光子晶体。在填充率渐变型光子晶体中，同一排介质柱的半径是相同的，但是不同排的介质柱半径从边缘到中心按照r_i＝r₀/(1+i)函数关系变得越来越小。

根据上述公式计算得到介质柱半径，通过仿真工具做进一步优化处理，得到从边缘到中心每排介质柱最优半径依次为r₀＝45.72μm、r₁＝20.32μm、r₂＝12.70μm、r₃＝10.16μm。谐振腔由3个介质柱构成，选择的材料为非线性晶体铌酸锂，该材料易于取得且具有高介电常数，被公认为光电时代光学硅的主要候选材料之一。

在此二维光子晶体滤波器结构中，根据时域耦合膜分析法，在谐振腔中设置3个介质柱有利于实现太赫兹波与谐振腔之间的高效耦合。当输入的径向高斯分布的太赫兹波通过水平输入通道到达谐振腔时，由于谐振腔在二维光子晶体结构中相当于引入的点缺陷，形成的点缺陷态使得此结构具有局域选频作用，当且仅当太赫兹波频率和谐振腔的谐振频率达到一致时，该频率的波才能被耦合进入谐振腔，继而得到输出，实现频率范围内宽频带滤波。

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性，当太赫兹波频率落在光子带隙内是禁止传播的。在二维光子晶体中引入点缺陷，利用点缺陷态的局域选频作用，实现光子晶体滤波器的滤波功能。根据大气吸收损耗模型，滤波器的工作频段设置为380GHz-438GHz，中心频率为f＝410GHz，波长λ＝c/f＝0.71mm，其中c为真空中的光速。

图2是基于完整光子晶体的TE模式下的带隙图，横坐标的Γ、Μ、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-Μ-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，归一化表示为a/λ＝ωa/2πc，其中ω为光波的角频率。由图可知，带隙归一化频率变化范围为0.28到0.44，相对带隙宽度达到37.8％。带隙归一化中心频率为a/λ＝ωa/2πc＝0.36，为获得中心波长在λ＝0.71mm处的滤波特性，选择的光子晶体晶格常数为a＝254μm。另外，TM偏振模式下没有出现带隙特性，因此本实施例提出的滤波器仅讨论TE偏振模式下的低损耗、宽频带滤波特性。

采用填充率渐变型光子晶体来设计光子晶体滤波器，可有效控制太赫兹波传播通道的折射率，减小在太赫兹波在传播过程中的反射损耗，提高透射率。在水平通道中间设计谐振腔结构(2)，调节谐振腔中3个介质柱的尺寸以及相对介电常数等有效参数，使得符合谐振腔谐振频率的太赫兹波被有效耦合进入谐振腔，达到频带范围内的宽频带滤波。图3是实施例1的透射普线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为GHz；纵坐标表注的Transmission表示太赫兹波的透射谱线，单位为dB；S₁₁和S₂₁分别表示太赫兹波传播的反射系数和透射系数。由图可知，在380GHz-438GHz范围内***损耗小于0.15dB，在中心工作频率410GHz处，实现的绝对带宽为58GHz，带外抑制最大值为51dB，最大透射效率达到97％。

图4是稳态电场分布图，由图可知，太赫兹波被很好的束缚在光子晶体中传输。本发明提出的太赫兹波渐变型光子晶体滤波器具有较好的滤波性能和较宽的滤波通带。

在本发明实施例中，放弃了现有技术中采用金属材料设计光子晶体柱的传统方案，巧妙地选择高阻硅和非线性晶体材料铌酸锂相结合设计渐变型光子晶体滤波器，在获得较低传输损耗和较宽带宽的同时，又可适当调节介质柱的尺寸大小，以便获得多个频段的滤波特性，为太赫兹***的发展提供了重要的指导意义。

本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其同等物限定。

Claims (4)

1.一种低损耗宽频带太赫兹波渐变型光子晶体滤波器，包括一系列圆形介质柱呈正方晶格排列形成二维光子晶体，其特征在于，在所述二维光子晶体滤波器中间位置设置一个谐振腔，该谐振腔由3个介质柱构成，输入通道和输出通道分别位于谐振腔左右两侧，输入、输出通道和谐振腔位于一条水平线上，形成太赫兹波传播通道，介质柱均匀分布在太赫兹波传播通道上下两侧，呈对称结构，同一排介质柱尺寸相同，从中心到边缘介质柱半径逐渐增大，输入的信号为高斯径向分布的太赫兹波，当太赫兹波通过输入通道到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波耦合进入谐振腔，得到耦合输出，实现380GHz-438GHz频率范围内的宽频带滤波。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，二维光子晶体沿着X-Z面呈正方晶格周期性排列，根据公式r₀＝0.18*a确定介质柱的半径r₀，介质柱的高度h＝279μm，其中，a为晶格常数。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，介质柱以阵列呈正方晶格周期排列，根据公式r_i＝r₀/(1+i)确定位于太赫兹波传播通道两侧介质柱半径，其中，r₀为位于滤波器边缘一排介质柱半径，i＝1,2,3，介质柱的半径由纵向的边缘到中心依次为r₀、r₁、r₂、r₃，上下对称。

4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，谐振腔中3个介质柱材料为非线性晶体材料铌酸锂，其余介质柱材料均为高阻硅。