[发明专利]一种双频率太赫兹带通滤波器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体指一种基于半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面采用镂空的互补型开口谐振环单元(C-SRR)的双频率太赫兹(THz)带通滤波器的设计与制作。

背景技术

太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。相比于人们常见的超声波、X射线、中远红外来说，THz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。常见的纸张、塑料、干燥木材，对THz电磁辐射接近透明，而金属或导电率很高的物体却能够有效反射THz波。由此，利用THz波成像可广泛用于机场、海关等地方的安全监测，比如探查隐藏的枪械、爆炸物、毒品等，而不会对人体造成伤害；在工业上还可以用于探测集成电路焊接的损伤，用于质量控制的手段。由此可见THz技术对我国国家安全、医学诊断，质量检测等领域具有重要的意义。

为实现THz技术的广泛应用，除了有效的产生和探测THz波以外，还包括如何对在空间中传播的THz波进行操控。在实际应用中,由于应用环境噪声以及应用需要的限制等,需滤除不需要的频率范围和噪声,提高系统的性能,如：很多结构复杂的高分子化学品，生物医学制品，在某些特定波段具有指纹式的特征谱线，当待检物质组分复杂，对THz波吸收强度不一的情况下，需要用THz滤波器来祛除不需要的杂质信号。因而THz滤波器成为实现THz技术的广泛应用重要元件。

目前，随着太赫兹滤波器的研究不断深入,近些年来陆续提出以下不同的THz滤波器：

(一)基于光子晶体的太赫兹滤波器结构

其结构为两个成对出现的一维周期性结构——布拉格镜面，在两个布拉格反射镜之间插入温光材料,从而在一维光子晶体结构中引入缺陷,缺陷模式的存在使得原来结构形成的禁带中出现一个很窄的通带,频率落在窄通带范围内的光信号可以在上述结构中传输,实现了滤波功能。

(二)基于人工周期性结构的太赫兹滤波器

在电介质表面镀上一层金属薄膜,则当电磁波入射到金属和电介质交界面时,入射场沿介质表面传输,在表面形成表面等离子体(Surface Plasmon，简称SP)。如果在金属薄膜上打上周期性结构便可形成SP，对某一频率范围内的入射THz波具有非常高的传输系数,实现了中心频率可调的THz滤波器。

上述第一类方案，主要通过调节电介质材料的温度实现可调性，但工作频率固定，只能通过改变结构参数实现工作频率的调节，而且有效频率一般在0.1THz到1THz之间，无法满足整个THz波段，且加工成本高、器件体积大。上述第二类方案，通过改变金属薄膜的形状可以改变滤波器的工作频率，在0.1THz到10THz之间透过率非常高，结构加工制作简单，使用成本低。传统表面等离子体周期性结构的太赫兹滤波器的结构是通过飞秒脉冲加工法在金属薄膜上打上不同形状的孔，如：矩形,圆形,椭圆形等，来实现的。近年来，超材料(Metamaterial)的出现，引入了开口谐振环单元(Split-Ring Resonantor，简称SRR)这一新结构。对于一个普通金属圆环在与其垂直的变化磁场中，会产生感应电磁场，但却并非谐振的系统。为了产生谐振加强磁响应，需要引入电容。因为电感和电容一起才能形成谐振电路(金属圆环可视为电感)。为此在金属环上加入一个缺口，就形成了电容，电荷会在两端积聚。这个开口谐振环就类比于一个带有电容的LC谐振电路。当开口谐振环的几何尺寸、金属材料、电介质衬底的三者的物理参数相互匹配后，就会对特定频率的THz波发生LC共振，从而获得很高的THz带阻滤波器。

上述两种THz滤波器基本上都只对特定频率的THz波响应，如：亚波长周期性金属结构中的表面等离子体(SP)共振的干涉相长效应，超材料的开口谐振环的LC共振频率取决于环开口大小和环内外直径。这使得上述设计仅对单一频率敏感。如何在保持器件能够高度集成的条件下，拓展THz滤波器的频率响应范围成为当前THz滤波器研究的难题之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有太赫兹带通滤波器所存在的技术局限性和市场需求，提供一种双通道、高输出的太赫兹滤波元件，及其简单易行、成本低廉的制备方法。