一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太赫茲功能器件，特別是一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾 波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波技術(shù)在物理學(xué)、化學(xué)、通信、材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地球物理、天文學(xué)、 環(huán)境科學(xué)及空間科學(xué)等方面有著重要的應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波技術(shù)的有效的實(shí)際應(yīng)用， 與之相關(guān)的太赫茲功能器件如傳導(dǎo)、分束、濾波等器件至關(guān)重要。尤其是太赫茲通信及檢測(cè) 等應(yīng)用領(lǐng)域迫切需要太赫茲窄帶濾波及頻分復(fù)用等損耗小、可集成的器件。
[0003] 目前太赫茲濾波器主要基于二維光子晶體、超穎材料、表面等離子體等結(jié)構(gòu)。國 內(nèi)外的研究都取得了不少成果。2010年美國萊斯大學(xué)的Raj indMendis等人在Appl. Phys. Lett.發(fā)表文章 "A tunable universal terahertz fi Iter usingarti-ficial dielectrics based on paral lel-platewaveguides"，研究了基于人造電介質(zhì)的平行板波 導(dǎo)的低通、高通、帶通和帶阻的太赫茲濾波器。2011年趙冬梅等在《紅外》上發(fā)表文章《太赫 茲波段可調(diào)窄帶濾波器》，研究了基于亞波長陣列結(jié)構(gòu)，最小帶寬為〇. 〇4THz的可調(diào)諧的太 赫茲濾波器。2011年天津大學(xué)的呂英進(jìn)等人在《激光與紅外》發(fā)表文章《基于液晶的可調(diào) 諧太赫茲雙折射濾波器的設(shè)計(jì)》，研究了液晶的可調(diào)諧的太赫茲雙折射濾波器，實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧 范圍0.691-0.866THZ和透射帶寬0.1 THz的窄帶輸出。2012年Stefan F. Busch等人在 Appl. Phys. Lett.發(fā)表文章 "Optical Iy gated tunable terahertz filters"，研究了基 于衍射光柵和光控調(diào)節(jié)器原理、帶寬可達(dá)到12GHz的太赫茲濾波器；2014年SamiyeMatloub 等人在 Optik 上發(fā)表文章 "The narrow band THz f i Iter in metal lie photonic crystalslabframe_work:Design and investigation"，研究了基于金屬光子晶體原理的 帶寬可達(dá)到3GHz的太赫茲波窄帶濾波器。近些年也有很多相關(guān)專利發(fā)表，2011年何金龍 等人發(fā)表了專利《一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲波可調(diào)窄帶濾波器》（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?201110187816. 6)，提出了一種基于硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的太赫茲窄帶濾波器，濾波范圍在 IOOGHz - ΙΟΤΗζ、帶寬在500MHz以下可調(diào)；2012年劉埔等人發(fā)表了專利《一種基于MEMS工 藝THz波段EMXT腔體濾波器》（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01210580434. 4)，提出了一種EMXT腔體濾波 器，是基于太赫茲波段光子晶體結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，工作的頻帶范圍在〇. 45-0. 55THz。上 述這些結(jié)構(gòu)的太赫茲濾波器與波導(dǎo)型濾波器相比，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、制作工藝難度較大，有的 需要加熱，空間結(jié)構(gòu)抗干擾能力差、需要封裝，造價(jià)相對(duì)比較昂貴。
[0004] 在太赫茲系統(tǒng)中，太赫茲濾波器用于濾除環(huán)境噪聲和不需要的頻率成分，來提高 系統(tǒng)的性能。本發(fā)明將提供一種復(fù)合波導(dǎo)型可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器。由于波導(dǎo)濾波器是 完全的金屬閉合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，不需要考慮封裝問題，相比于其他類型 的濾波器有高Q值、低插損、功率容量大等特點(diǎn)。深入研究太赫茲波器件與技術(shù)有著重要的 科學(xué)意義，并將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。
[0005] 發(fā)明目的
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，無需要考慮封裝問題的 復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器，包括兩個(gè)尺寸不同的周期結(jié)構(gòu)圓柱狀中 空金屬波導(dǎo)，波導(dǎo)a和波導(dǎo)b，兩個(gè)波導(dǎo)軸向連接組合；復(fù)合波導(dǎo)管壁材料為低損耗金屬，周 期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由色散曲線得到的：
[0010] 其中，代表透射譜的中心頻率，m代表第m階橫向模式，衫是第m階Bessel函 數(shù)的零點(diǎn)，^是周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的平均半徑，β是傳播常數(shù)，η是Bragg共振的階數(shù)，Λ是起 伏結(jié)構(gòu)的周期長度；波導(dǎo)a的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由相同橫模間的共振條件給出的，波導(dǎo)b的結(jié)構(gòu)參 數(shù)是由不同橫模間的共振條件給出的；每個(gè)波導(dǎo)的半徑
其中η = 1，2 ;
稱為短半徑，
：稱為長半徑；ε為周期波導(dǎo)壁的起伏高度，長半徑與短半徑部分的 長度相同為Λ/2。
[0011] 通過改變所述結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)、平均半徑和周期大小是可變的，周期大小和 平均半徑改變兩個(gè)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)可以改變?yōu)V波器的濾波帶寬以及透過率。
[0012] 所述周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)為中空波導(dǎo)，其填充物為空氣。
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0014] 體積小、結(jié)構(gòu)簡單、容易生產(chǎn)、操作簡便；頻帶窄、所濾出的太赫茲電磁波的帶寬可 達(dá)到0. 24MHz，透過率大于99% ;無方向要求，濾波器雙向可用；中心波長可以通過調(diào)節(jié)兩 個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)尺寸來控制，透過率可通過改變兩個(gè)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)來控制；濾波器為完 全的金屬閉合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，不需要考慮封裝問題；相比于其他類型的 濾波器有高Q值、低插損、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、體積小、運(yùn)用的材料普遍、透射率高、帶寬窄 且可調(diào)、中心頻率可調(diào)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明中采用的圓柱狀周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的剖面圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器的剖面圖；
[0017] 圖3為可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器的頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0019] 本發(fā)明提供一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可調(diào)太赫茲波窄帶濾波器。它由兩段周期結(jié)構(gòu)圓柱 狀中空金屬波導(dǎo)（波導(dǎo)a，凡個(gè)周期；波導(dǎo)b，N b個(gè)周期）組合連接而成。波導(dǎo)a的平均半 徑和周期長度都略小于波導(dǎo)b，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)由。
[0020] 色散曲線上的布拉格與非布拉格共振條件給出。每個(gè)波導(dǎo)的半徑呈周期性變化。 通過分別改變兩個(gè)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)、周期大小和平均半徑可實(shí)現(xiàn)太赫茲波透射中心波長和 透射帶寬的有效調(diào)控。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻帶窄、工作效率高、可調(diào)諧，并且具有良 好的頻率選擇性。將在太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域如：通信、材料科學(xué)、生物學(xué)、地球物理、空間科學(xué)等 領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。
[0021] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足如：濾波性能不好、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料昂貴、制作困難、需要封 裝、加熱等。本發(fā)明采用完全的金屬閉合結(jié)構(gòu)，避免了電磁輻射和介質(zhì)損耗，無需要考慮封 裝問題。
[0022] 本發(fā)明提供了一種復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)太赫茲波窄帶濾波器，它由兩段周期結(jié)構(gòu)圓柱狀 中空金屬波導(dǎo)（波導(dǎo)a，波導(dǎo)b)組合連接而成，其半徑函數(shù)為
周期為Λ與輸入波 的頻率、平均半徑等有關(guān)。波導(dǎo)a的平均半徑和周期長度都略小于波導(dǎo)b，波導(dǎo)a的周期結(jié) 構(gòu)參數(shù)是由相同橫模間的共振條件給出的，波導(dǎo)b的結(jié)構(gòu)參數(shù)是由不同橫模間的共振條件 給出的。兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)、平均半徑和周期大小是可變的，通過改變周期大小 和平均半徑等參數(shù)可以改變?yōu)V波的中心頻率，通過改變兩個(gè)波導(dǎo)的周期個(gè)數(shù)可以改變?yōu)V波 器的濾波帶寬以及透過率。
[0023] 所述復(fù)合波導(dǎo)管壁材料為低損耗金屬，比如銀、鋁或金。復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為中空波 導(dǎo)，其填充物為空氣。其制作方法是使用MEMS深度光刻工藝在聚合物上加工所述矩形周