[发明专利]带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器

说明书

本发明请求保护一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器。该光子晶体带通滤波器包括二维光子晶体、水平输入波导、谐振腔、垂直输出波导；其中，二维光子晶体呈四方晶格周期性排列，在二维光子晶体中设置有水平输入波导和垂直输出波导，波导相邻两侧一排介质柱呈长方形介质柱；输入与输出波导相交位置设置有弓形谐振腔，该谐振腔由两个内部介质柱和三个散射介质柱构成，当太赫兹波从水平输入波导左端输入到达谐振腔时，符合谐振腔谐振频率的太赫兹波被耦合进入谐振腔，从垂直输出波导下端口输出，实现375‑425GHz频率范围内的低损耗宽频带滤波。

技术领域

本发明属于太赫兹光子晶体带通滤波器，采用新型的弓形谐振腔结构，涉及一种太赫兹无源器件与太赫兹波通信技术领域。

背景技术

太赫兹频谱通常是指0.1THz到10THz之间的频谱区域，它是最后一个尚未被分配和开发使用的新频段。太赫兹波是一种新的、有很多独特优点的辐射波，为未来的前沿科技发展提供了机遇。光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构，其最基本的特点就是具有光子带隙，光子落入此带隙频段内是不能传播的。因此，一块光子晶体就相当于一个天然的帯阻滤波器。当在光子晶体中引入某种缺陷或者介电无序时，将打破光子晶体原有的对称性和周期性，形成缺陷态，和缺陷态频率相吻合的光子将被局域在缺陷内，从而实现一定频段的滤波功能。基于光子晶体具有小型化、高集成度以及可调谐性好等优点，将光子晶体和太赫兹技术结合起来研究无源滤波器件有望得到更有价值的研究成果。

目前，基于二维光子晶体的太赫兹滤波器普遍是在光子晶体中引入线缺陷和点缺陷来实现太赫兹波的耦合滤波，这种设计的得益之处在于在某个点缺陷内形成单缺陷模式，有利于单频段范围内的高质量滤波。由于在二维光子晶体中引入的缺陷态将会产生严重的散射损耗，不利于太赫兹波的有效传播。在375-425GHz工作频段内采用长方形介质柱代替传统的圆形介质柱来约束太赫兹波的传播，能更有效的减小波的散射损耗和控制光的传播方向。谐振腔采用弓形结构，调节腔内介质柱的介电常数和尺寸大小可有效的改变谐振腔的谐振频率和耦合模式，继而保证在低散射损耗的前提下，实现宽频带范围内的高效滤波。

硅是介质中也是聚合物中最透明、色散最小的材料。高纯度晶体的吸收常数在频率低于3THz时小于0.1cm^-1，在同一频段其折射率3.4175的变化小于0.0001。除此之外，硅的物理特性和电特性已经被研究得非常详细，并且还价格低廉，具有成熟的加工工艺。在二维光子晶体中采用介质柱表面镀金属亦可有效地减少传输损耗，但仍然存在高欧姆损耗，且加工工艺颇为复杂。相比之下，硅无疑是制作太赫兹器件的首选材料。太赫兹滤波器作为太赫兹通信必不可少的通信器件，然而如何制作易于集成、可控性高且能实现低损耗宽频带传输的滤波器件是研究者亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种制作易于集成、可控性高且适用于太赫兹大气通信窗口频段的方法。本发明的技术方案如下：

一种带有弓形谐振腔结构的太赫兹光子晶体带通滤波器，其包括二维光子晶体、输入波导、谐振腔及输出波导；其中，所述二维光子晶体是一系列圆形介质柱呈正方晶格周期性分布的光子晶体，在该二维光子晶体中去掉两半排水平排列的介质柱形成输入波导，在输入波导的右端垂直向下去掉两半排介质柱来形成输出波导，输入波导和输出波导相交位置设置有一个谐振腔，所述输入波导和输出波导相邻两侧一排的介质柱呈长方形介质柱排列，其余介质柱呈圆形介质柱均匀分布在传输波导的上下左右两侧。

进一步的，所述谐振腔为一个弓形的微谐振腔结构，它是由两个内部介质柱和六个散射介质柱构成，其中两个内部介质柱呈45°斜对称分布在谐振腔中心位置，在谐振腔的上部和右部分别去除几根介质柱，然后在上部水平排列三个散射介质柱，在右部竖直排列三个散射介质柱，内部介质柱和散射介质柱具有同种介电常数和相同的尺寸。

进一步的，当太赫兹波通过输入波导传输到谐振腔时，只有符合缺陷态模式的频率才能耦合输出，实现375-425GHz频率范围内的宽频段滤波。