CN112909567A - 一种太赫兹带通滤波器结构单元及连续调制方法 - Google Patents

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CN112909567A CN202110082033.5A CN202110082033A CN112909567A CN 112909567 A CN112909567 A CN 112909567A CN 202110082033 A CN202110082033 A CN 202110082033A CN 112909567 A CN112909567 A CN 112909567A
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杨栋勋
李睿
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Abstract

本发明属于太赫兹通信的技术领域，具体涉及一种太赫兹带通滤波器结构单元，包括上层金属(1)、介质层(2)和下层金属(3)，所述上层金属(1)、所述介质层(2)及所述下层金属(3)依次层叠设置，所述上层金属(1)、所述介质层(2)和所述下层金属(3)的中心点均位于同一轴线上，所述下层金属(3)设置有镂空孔(31)，所述上层金属(1)位于所述镂空孔(31)正上方，所述上层金属(1)和所述下层金属(3)形成互补结构，结构单元在平面内周期性排列展开，组成太赫兹带通滤波器。本发明利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，实现频率的连续可调。此外，本发明还公开了一种连续调制方法。

Description

一种太赫兹带通滤波器结构单元及连续调制方法
技术领域
本发明属于太赫兹通信的技术领域，具体涉及一种太赫兹带通滤波器结构单元及连续调制方法。
背景技术
太赫兹波是波长介于红外与毫米波之间的电磁波，频率范围在0.1THz到10THz之间。太赫兹波具有光子能量低，穿透性强，对生物大分子有明显的特征吸收峰等特点，在生物无损检测、超快通讯***、危险品检查及生物大分子光谱方面具有极大的应用前景。然而，自然界缺少对太赫兹波段直接响应的天然材料，极大的限制了太赫兹技术的发展。超材料是一种由人工设计的具有周期性亚波长单元结构的电磁材料，可以利用亚波长单元与入射电磁波的耦合实现特定频率的电磁响应。
目前已成为解决太赫兹波段材料匮乏的理想手段。太赫兹带通滤波器是一种重要的太赫兹滤波器件，具有窄带宽、高品质因数、高透射率等性能优势。频率连续可调的太赫兹带通滤波器结构单元是未来太赫兹通讯***的重要组成部分。近年来，随着太赫兹技术的不断发展，对太赫兹波调制器件的需求也在不断增大。目前，对于控制太赫兹响应频率的太赫兹功能器件十分短缺，尤其是高品质因数的动态可调太赫兹带通滤波器。单一平面金属超材料的响应频率单一，响应峰品质因数底，不适合未来太赫兹器件的发展应用。与此同时，利用平面金属阵列超材料制备的太赫兹带通滤波器结构固定，无法实现频率的动态调控。由于太赫兹超材料的响应频率强烈受制于单元结构尺寸，基于固定结构单元的太赫兹带通滤波器，实现响应频率的动态连续调控十分困难。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种太赫兹带通滤波器结构单元，利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，实现频率的连续可调。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种太赫兹带通滤波器结构单元，包括上层金属、介质层和下层金属，所述上层金属、所述介质层及所述下层金属依次层叠设置，所述上层金属、所述介质层和所述下层金属的中心点均位于同一轴线上，所述下层金属设置有镂空孔，所述上层金属位于所述镂空孔，所述上层金属和所述下层金属形成互补结构。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述介质层覆盖所述下层金属，所述上层金属的厚度和所述下层金属的厚度介于5纳米到50纳米之间，所述介质层的厚度介于2微米至10微米之间。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述上层金属的厚度和所述下层金属的厚度为20纳米，所述介质层的厚度为6微米。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述上层金属为椭圆型层状结构、矩形层状结构或菱形层状结构，所述介质层为方形板状结构，所述下层金属为方形层状结构，所述镂空孔为相应的椭圆形、矩形或菱形。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述介质层的侧边边长介于50微米到200微米之间，所述上层金属的尺寸介于所述介质层侧边边长的四分之一至所述介质层的侧边边长之间。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述上层金属和所述下层金属的材料相同。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述上层金属和所述下层金属为金、银、铝、铜或铁，所述介质层为氧化铝、氧化铪或碳化硅。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述上层金属的导电率为3.56×107S/m，所述介质层的介电常数为9.4，磁导率为1。
作为本发明所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元的一种改进，所述太赫兹带通滤波器结构单元的基底为聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜的厚度为10微米。
本发明的目的之二在于提供一种连续调制的方法，包括：
步骤一：将入射平面波沿z轴负方向垂直于金属面入射，电场分量沿x轴方向偏振，在滤波器后方沿入射方向设置太赫兹波探测器；
步骤二：将上层金属沿平面波入射方向为轴依次旋转，旋转角度间隔°；
步骤三：使用太赫兹探测器采集不同偏转角度下的太赫兹时域信号；
步骤四：将接收的太赫兹时域信号进行傅里叶变换，得到频域下的太赫兹透射光谱。
本发明的有益效果在于，本发明包括上层金属、介质层和下层金属，所述上层金属、所述介质层及所述下层金属依次层叠设置，所述上层金属、所述介质层和所述下层金属的中心点均位于同一轴线上，所述下层金属设置有镂空孔，所述上层金属位于所述镂空孔正上方，所述上层金属和所述下层金属形成互补结构。由于利用平面金属阵列超材料制备的太赫兹响应滤波器结构固定，无法实现频率的动态调控，且太赫兹超材料的响应频率强烈受制于单元结构尺寸，基于固定结构单元的太赫兹超材料滤波器，实现响应频率的动态连续调控十分困难，因此，将上层金属、介质层和下层金属的中心点均位于同一轴线上，下层金属设置有镂空孔，上层金属位于镂空孔正上方，上层金属和下层金属形成互补结构，实现了频率的动态调控，利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，从而实现了频率的连续可调，通过上、下层金属在x方向和y方向的不对称性产生了响应频率的连续变化；双层金属结构响应实现了电磁波产生的感应电流在金属层之间共振响应，由不对称性产生陷阱激发模式，从而提高了响应峰的品质因数，而高介电常数材料作为中间层能够进一步提高品质因数。本发明利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，实现频率的连续可调。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
图1为本发明的实施方式一的太赫兹带通滤波器结构单元的结构图。
图2为本发明的实施方式一的上层金属和下层金属的结构图。
图3为本发明的实施方式一组成的太赫兹带通滤波器的结构图。
图4为本发明的实施方式四的太赫兹带通滤波器结构单元中上层金属偏转0°、30°、60°和90°的结构图。
图5为本发明的实施方式四的太赫兹带通滤波器在仿真模拟软件中与入射波位置关系的示意图。
图6为本发明的实施方式四的上层金属位于不同偏转角度(0°～90°)下的透射谱图。
图7为本发明的实施方式二的上层金属和下层金属的结构图。
图8为本发明的实施方式五的在上层金属位于不同偏转角度(0°～90°)下的透射谱图。
其中，附图标记说明如下：
1-上层金属；2-介质层；3-下层金属；31-镂空孔。
具体实施方式
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1～8对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施方式一
参考图1和图2，一种太赫兹带通滤波器结构单元，包括上层金属1、介质层2和下层金属3，上层金属1、介质层2及下层金属3依次层叠设置，上层金属1、介质层2和下层金属3的中心点均位于同一轴线上，下层金属3设置有镂空孔31，上层金属1位于镂空孔31，上层金属1和下层金属3形成互补结构。
由于利用平面金属阵列超材料制备的太赫兹响应滤波器结构固定，无法实现频率的动态调控，且太赫兹超材料的响应频率强烈受制于单元结构尺寸，基于固定结构单元的太赫兹超材料滤波器，实现响应频率的动态连续调控十分困难0，因此，将上层金属1、介质层2和下层金属3的中心点均位于同一轴线上，下层金属3设置有镂空孔31，上层金属1位于镂空孔31，上层金属1和下层金属3形成互补结构，实现了频率的动态调控，利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，从而实现了频率的连续可调，通过上、下层金属在x方向和y方向的不对称性产生了响应频率的连续变化；双层金属结构响应实现了电磁波产生的感应电流在金属层之间共振响应，由不对称性产生陷阱激发模式，从而提高了响应峰的品质因数，而高介电常数材料作为中间层能够进一步提高品质因数。
其中，通过下层金属3的镂空孔31，使得上层金属1位于镂空孔31，上层金属1和下层金属3构成互补结构关系。
于本实施方式中，椭圆型单元结构及矩形单元结构还可以替换成其他满足一个对称中心、两个相互垂直的对称轴的所有图型结构，例如矩形、菱形；介质层材料可以用其他高介电常数的材料来代替，例如氧化铪，氧化铝，碳化硅。
由该太赫兹带通滤波器结构单元组成了太赫兹带通滤波器。通过旋转该单元上层金属1的偏转角度，可以实现对带通滤波器的透射峰的中心频率连续调制。
在根据本发明的太赫兹带通滤波器结构单元中，介质层2覆盖下层金属3，上层金属1的厚度和下层金属3的厚度介于5纳米到50纳米之间，介质层2的厚度介于2微米至10微米之间。基于现有微纳加工技术下，制备简单实用。
在根据本发明的太赫兹带通滤波器结构单元中，上层金属1为椭圆型层状结构、矩形层状结构或菱形层状结构，介质层2为方形板状结构，下层金属3为方形层状结构，镂空孔31为相应的椭圆形、矩形或菱形。介质层2的材料可以是高介电常数的介电材料。
在根据本发明的太赫兹带通滤波器结构单元中，介质层2的侧边边长介于50微米到200微米之间，上层金属1的尺寸介于介质层2的侧边边长的四分之一至介质层2的侧边边长之间。具体的，上层金属1的最大尺寸小于正方形侧边边长；上层金属1的最小尺寸大于正方形侧边边长的四分之一。
上层金属1的导电率为3.56×107S/m，介质层2介电常数为9.4，磁导率为1，太赫兹带通滤波器的基底为聚酰亚胺膜，聚酰亚胺膜的厚度为10微米。
于本实施方式中，介质层2与下层金属3的正方形侧边边长为100微米；上层金属1的椭圆长半径为44微米，短半径为35微米。
本发明的工作原理是：
将上层金属1、介质层2和下层金属3的中心点均位于同一轴线上，下层金属3设置有镂空孔31，上层金属1位于镂空孔31正上方，上层金属1和下层金属3形成互补结构，实现了频率的动态调控，利用互补结构间偏转角度的变化来调整调制器的响应频率，从而实现了频率的连续可调，通过上、下层金属在x方向和y方向的不对称性产生了响应频率的连续变化；双层金属结构响应实现了电磁波产生的感应电流在金属层之间共振响应，由不对称性产生陷阱激发模式，从而提高了响应峰的品质因数，而高介电常数材料作为中间层能够进一步提高品质因数。
通过下层金属3的镂空孔31，使得上层金属1位于镂空孔31正上方，上层金属1和下层金属3构成互补结构关系。
实施方式二
与实施方式一不同的是：本实施方式的上层金属1的厚度和下层金属3的厚度为20纳米，介质层2的厚度为6微米。参见图7所示，上层金属1和下层金属3均为方形。
其他结构与实施方式一相同，这里不再赘述。
实施方式三
与实施方式一不同的是：本实施方式的上层金属1和下层金属3的材料相同，上层金属1和下层金属3为金、银、铝、铜或铁，介质层2为氧化铝、氧化铪或碳化硅。上层金属1和下层金属3的材料可以相同，也可以不相同。
其他结构与实施方式一相同，这里不再赘述。
实施方式四
一种连续调制的方法，包括：
步骤一：将入射平面波沿z轴负方向垂直于金属面入射，电场分量沿x轴方向偏振，在滤波器后方沿入射方向设置太赫兹波探测器；
步骤二：将上层金属1沿平面波入射方向为轴依次旋转，旋转角度间隔10°；
步骤三：使用太赫兹探测器采集不同偏转角度下的太赫兹时域信号；
步骤四：将接收的太赫兹时域信号进行傅里叶变换，得到频域下的太赫兹透射光谱。
需要说明的是：本实施方式中上层金属1与下层金属3的材料为铝，厚度为20纳米，电导率为3.56×107S/m。介质层材料为氧化铝，厚度为6微米，介电常数为9.4，磁导率为1。
优选地，本实施方式设置介质层2与下层金属3的正方形侧边边长为100微米；上层金属1的椭圆长半径为44微米，短半径为35微米。模拟计算中设置滤波器基底为厚度10微米的聚酰亚胺膜，介电常数为3.54。
参考图3，由上述太赫兹超材料结构单元依次阵列排布，组成太赫兹带通滤波器，为相邻太赫兹单元的中间介质层的侧边对齐设置，相邻太赫兹单元的下层金属3的侧边对齐设置，上层金属1的对称中心等间距设置，间距为侧边长度。
在本实施方式中，以对称中心为轴，旋转太赫兹超材料结构单元中的上层金属1的偏转角度，偏转角度从0°连续变化至90°。参考图4，给出了太赫兹带通滤波器上层金属1偏转0°、30°、60°和90°时太赫兹超材料单元的结构图。
利用三维电磁仿真软件对本实施方式的太赫兹带通滤波器的透射谱进行仿真演示，参考图5。
参考图6，给出了本实施方式的太赫兹带通滤波器的上层金属1在不同偏转角度(0°～90°)的透射谱图。从图中可以看出，随着偏转角度从0°变化到90°时，该太赫兹带通滤波频器的中心频率向高频方向连续变化。
具体而言，
当偏转角度为0°时，中心频率为0.526THz，透射率为58.4％；
当偏转角度为10°时，中心频率为0.546THz，透射率为46.8％；
当偏转角度为20°时，中心频率为0.58THz，透射率为47.3％；
当偏转角度为30°时，中心频率为0.614THz，透射率为52.6％；
当偏转角度为40°时，中心频率为0.637THz，透射率为58.7％；
当偏转角度为50°时，中心频率为0.659THz，透射率为63.5％；
当偏转角度为60°时，中心频率为0.679THz，透射率为68％；
当偏转角度为70°时，中心频率为0.69THz，透射率为71.6％；
当偏转角度为80°时，中心频率为0.696THz，透射率为73.6％；
当偏转角度为90°时，中心频率为0.699THz，透射率为74.5％。
随着上层金属1偏转角度从0°到90°的连续变化可以实现对带通滤波频器中心频率向高频方向连续调制，同时，透射率总体上呈现上升趋势，证明了在不改变固定尺寸的条件下，通过金属层间的偏转可以实现响应频率连续可调方法的可行性。
实施方式五
一种连续调制的方法，包括：
步骤一：将入射平面波沿z轴负方向垂直于金属面入射，电场分量沿x轴方向偏振，在滤波器后方沿入射方向设置太赫兹波探测器；
步骤二：将上层金属1沿平面波入射方向为轴依次旋转，旋转角度间隔10°；
步骤三：使用太赫兹探测器采集不同偏转角度下的太赫兹时域信号；
步骤四：将接收的太赫兹时域信号进行傅里叶变换，得到频域下的太赫兹透射光谱。
需要说明的是：本实施方式的太赫兹带通滤波器在上层金属1位于不同偏转角度(0°～90°)下的透射谱图，参考图8。从图8中可以看出，随着偏转角度从0°变化到90°时，该太赫兹带通滤波器的中心频率向高频方向连续变化。
具体而言，
当偏转角度为0°时，中心频率为0.89THz，透射率为40.3％；
当偏转角度为10°时，中心频率为0.867THz，透射率为24.2％；
当偏转角度为20°时，中心频率为0.914THz，透射率为30.6％；
当偏转角度为30°时，中心频率为0.931THz，透射率为35.6％；
当偏转角度为40°时，中心频率为0.95THz，透射率为40.9％；
当偏转角度为50°时，中心频率为0.978THz，透射率为45.9％；
当偏转角度为60°时，中心频率为1.017THz，透射率为50.7％；
当偏转角度为70°时，中心频率为1.058THz，透射率为54.7％；
当偏转角度为80°时，中心频率为1.089THz，透射率为55.3％；
当偏转角度为90°时，中心频率为1.113THz，透射率为58.2％。
与此同时，本实施方式给出了偏转角度，中心频率，透射率的变化规律及中心频率与偏转角度的拟合公式，关系如下：
1)随着入射平面波电场偏振方向由横向长尺寸向纵向短尺寸移动时，中心频率从低频向高频移动，但是当偏转角从0°向10°偏转过程中，中心频率不适用。
2)随着偏转角度的不断增大，透射率不断升高。
对于本实施方式，中心频率与偏转角度关系满足玻尔兹曼拟合方程，拟合公式为：
Figure BDA0002909716740000101
其中F为中心频率，θ为偏转角度。
本实施方式给出了符合发明结构要求的另一种互补型金属结构，可以通过偏转上层金属的偏转角度实现响应频率连续可调，由此可应用到所有满足一个对称中心、两个相互垂直的对称轴的所有图型结构。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：包括上层金属(1)、介质层(2)和下层金属(3)，所述上层金属(1)、所述介质层(2)及所述下层金属(3)依次层叠设置，所述上层金属(1)、所述介质层(2)和所述下层金属(3)的中心点均位于同一轴线上，所述下层金属(3)设置有镂空孔(31)，所述上层金属(1)位于所述镂空孔(31)正上方，所述上层金属(1)和所述下层金属(3)形成互补结构，结构单元在平面内周期性排列展开，组成太赫兹带通滤波器。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述介质层(2)覆盖所述下层金属(3)，所述上层金属(1)的厚度和所述下层金属(3)的厚度介于5纳米到50纳米之间，所述介质层(2)的厚度介于2微米至10微米之间。
3.如权利要求2所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述上层金属(1)的厚度和所述下层金属(3)的厚度为20纳米，所述介质层(2)的厚度为6微米。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述上层金属(1)为椭圆型层状结构、矩形层状结构或菱形层状结构，所述介质层(2)为方形板状结构，所述下层金属(3)为方形层状结构，所述镂空孔(31)为相应的椭圆形、矩形或菱形。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述介质层(2)的侧边边长介于50微米到200微米之间，所述上层金属(1)的尺寸介于所述介质层(2)的侧边边长的四分之一至所述介质层(2)的侧边边长之间。
6.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述上层金属(1)和所述下层金属(3)的材料相同。
7.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述上层金属(1)和所述下层金属(3)为金、银、铝、铜或铁，所述介质层(2)为氧化铝、氧化铪或碳化硅。
8.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述上层金属(1)的导电率为3.56×107S/m，所述介质层(2)的介电常数为9.4，磁导率为1。
9.如权利要求1所述的一种太赫兹带通滤波器结构单元，其特征在于：所述太赫兹带通滤波器结构单元的基底为聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜的厚度为10微米。
10.一种连续调制的方法，其特征在于，包括：
步骤一：将入射平面波沿z轴负方向垂直于金属面入射，电场分量沿x轴方向偏振，在滤波器后方沿入射方向设置太赫兹波探测器；
步骤二：将上层金属(1)沿平面波入射方向为轴依次旋转，旋转角度间隔10°；
步骤三：使用太赫兹探测器采集不同偏转角度下的太赫兹时域信号；
步骤四：将接收的太赫兹时域信号进行傅里叶变换，得到频域下的太赫兹透射光谱。
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