[发明专利]金属光子晶体太赫兹可调谐滤波器

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹波可调谐滤波器及其控制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。太赫兹功能器件如滤波器、开关、分束器、起偏器、相位延迟器等是太赫兹应用系统中重要组成部分，其中太赫兹滤波器是太赫兹应用系统的关键核心器件。滤波器可将需要的工作频率从宽带太赫兹信号中提取出来，而可调谐滤波器对滤波器的通带位置进行控制，进一步实现对太赫兹波的可控传输。

目前，常见的太赫兹滤波器主要有：(1)基于超材料(metamaterial)的太赫兹滤波器。这类滤波器虽然设计灵活，易于实现，但多为带阻滤波，滤波谱线不理想，色散较大，消光比低。(2)基于一维介质光子晶体的太赫兹滤波器，这类滤波器带宽很窄，不适于现有的宽带太赫兹系统。(3)基于二维介质光子晶体的太赫兹滤波器，它以硅或聚合物为基底材料制成柱或孔阵列，可以实现宽带带通滤波功能。此类滤波器中填充液晶等折射率可变材料，可以通过改变填充材料的折射率实现对滤波器的调谐。然而对传统介质光子晶体进行填充后，由于填充材料与构成光子晶体的基底材料的电介常数之差减小，导致调谐范围十分有限，并且导致滤波器的通带光谱带宽减小，透过率下降[H.Zhang，S.J.Chang et.al，J.Opt.Soc.AmB，26(1)：101-106，2009]。

在现有材料中只有高阻硅、高密度聚乙烯、高电导率金属(铜、铝、银等)对太赫兹的吸收损耗可以忽略不计。因此，如何利用这些有限的材料，设计出调谐范围大，通带带宽和透过率稳定的高性能太赫兹可调谐滤波器是太赫兹应用系统中急需解决的关键技术问题。

发明内容

针对以上太赫兹滤波器的不足，本发明的目的在于提供一种填充液晶的金属光子晶体太赫兹可调谐滤波器及其控制方法。

金属光子晶体可调谐滤波器包括：光子晶体金属柱阵列、高密度聚乙烯盒、电极、太赫兹源、液晶。光子晶体金属柱阵列封装于高密度聚乙烯盒中，盒中填充液晶。光子晶体金属柱阵列使用的材料是铜、铝、银、金等高电导率金属材料。其制作方法为由硅片或聚合物使用MEMS深度光刻工艺成型后利用镀膜工艺在表面镀上一层大于100nm厚的金属膜形成金属柱阵列，金属柱高100～500μm，直径40～100μm，相邻柱间距为100～200μm。在每列光子晶体金属柱上方布置串连的引线，将奇数列于与偶数列分别并联为正、负电极，工作电压在0～5V之间连续可调。金属柱阵列既作为光子晶体，其本身又是调谐滤波器的电极。液晶选择5CB、E7等在太赫兹波段具有高双折射低损耗向列相液晶，双折射系数大于0.15。所使用的太赫兹源为太赫兹光电导天线产生的宽带太赫兹源，谱成分0.1-3THz。

金属光子晶体太赫兹可调谐滤波器的工作方法是：通过控制光子晶体金属柱阵列上的电极电压，改变填充在金属柱周围的液晶的指向角度，从而改变金属光子晶体的能带和带隙位置来控制滤波器通带位置的移动，实现调谐滤波的功能。当电压为零时，液晶沿柱轴向分布；当电压逐渐增大，液晶指向角度逐渐转向垂直于柱轴向分布。这一过程中液晶在太赫兹波段的折射率逐渐减小，金属光子晶体的能带和带隙位置由低频向高频移动，从而使滤波器的通带向高频移动，实现调谐滤波。

本发明的有益效果是：(1)采用了金属材料制作光子晶体。由于常见金属在太赫兹波段的电介常数极大，可视为理想电导体，液晶的填充和其折射率的改变，仅改变金属光子晶体的能带位置，而不改变能带宽度和光谱透过率，克服了硅、高密度聚乙烯等介质光子晶体填充液晶后的通带带宽变窄、透过率下降的缺点，且较同等结构参数的介质光子晶体的调谐范围提高了约一倍。(2)在金属光子晶体柱阵列上方交替布置电极，使液晶指向分布角度能随电压连续转动，从而实现滤波器的连续可调。相比于过去在两侧布置正负电极的液晶调谐器件，使用光子晶体金属柱本身作为电极，减小了电极距离，从而提高了液晶分布的一致性，降低了工作电压，提高了响应时间。

本发明的优点是：该金属光子晶体可调谐滤波器传输带宽大，连续可调谐范围宽，调谐过程中通带带宽和透过率稳定，损耗小，消光比高，便于小型化和集成化，满足太赫兹通信系统、光谱与成像系统的要求。

附图说明