一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器的制造方法

文档序号:9454840阅读:895来源:国知局
一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹功能器件,特别是一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤 波器。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波技术在物理学、化学、通信、材料科学、生物学、医学、地球物理、天文学、 环境科学及空间科学等方面有着重要的应用,要实现对太赫兹波技术的有效的实际应用, 与之相关的太赫兹功能器件如传导、分束、滤波等器件至关重要。尤其是太赫兹通信及检测 等应用领域迫切需要太赫兹窄带滤波及频分复用等损耗小、可集成的器件。
[0003] 目前太赫兹滤波器主要基于二维光子晶体、超颖材料、表面等离子体等结构。国 内外的研究都取得了不少成果。2010年美国莱斯大学的Raj indMendis等人在Appl. Phys. Lett.发表文章 "A tunable universal terahertz fi Iter usingarti-ficial dielectrics based on paral lel-platewaveguides",研究了基于人造电介质的平行板波 导的低通、高通、带通和带阻的太赫兹滤波器。2011年赵冬梅等在《红外》上发表文章《太赫 兹波段可调窄带滤波器》,研究了基于亚波长阵列结构,最小带宽为〇. 〇4THz的可调谐的太 赫兹滤波器。2011年天津大学的吕英进等人在《激光与红外》发表文章《基于液晶的可调 谐太赫兹双折射滤波器的设计》,研究了液晶的可调谐的太赫兹双折射滤波器,实现了调谐 范围0.691-0.866THZ和透射带宽0.1 THz的窄带输出。2012年Stefan F. Busch等人在 Appl. Phys. Lett.发表文章 "Optical Iy gated tunable terahertz filters",研究了基 于衍射光栅和光控调节器原理、带宽可达到12GHz的太赫兹滤波器;2014年SamiyeMatloub 等人在 Optik 上发表文章 "The narrow band THz f i Iter in metal lie photonic crystalslabframe_work:Design and investigation",研究了基于金属光子晶体原理的 带宽可达到3GHz的太赫兹波窄带滤波器。近些年也有很多相关专利发表,2011年何金龙 等人发表了专利《一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器》(专利【申请号】 201110187816. 6),提出了一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹窄带滤波器,滤波范围在 IOOGHz - ΙΟΤΗζ、带宽在500MHz以下可调;2012年刘埔等人发表了专利《一种基于MEMS工 艺THz波段EMXT腔体滤波器》(专利【申请号】201210580434. 4),提出了一种EMXT腔体滤波 器,是基于太赫兹波段光子晶体结构的带通滤波器,工作的频带范围在〇. 45-0. 55THz。上 述这些结构的太赫兹滤波器与波导型滤波器相比,结构比较复杂、制作工艺难度较大,有的 需要加热,空间结构抗干扰能力差、需要封装,造价相对比较昂贵。
[0004] 在太赫兹系统中,太赫兹滤波器用于滤除环境噪声和不需要的频率成分,来提高 系统的性能。本发明将提供一种复合波导型可调太赫兹波窄带滤波器。由于波导滤波器是 完全的金属闭合结构,避免了电磁辐射和介质损耗,不需要考虑封装问题,相比于其他类型 的滤波器有高Q值、低插损、功率容量大等特点。深入研究太赫兹波器件与技术有着重要的 科学意义,并将对国民经济发展起到重要的推动作用。
[0005] 发明目的
[0006] 本发明的目的在于提供一种避免了电磁辐射和介质损耗,无需要考虑封装问题的 复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。
[0007] 本发明的目的是这样实现的:
[0008] 复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器,包括两个尺寸不同的周期结构圆柱状中 空金属波导,波导a和波导b,两个波导轴向连接组合;复合波导管壁材料为低损耗金属,周 期结构波导的结构参数是由色散曲线得到的:
[0010] 其中,代表透射谱的中心频率,m代表第m阶横向模式,衫是第m阶Bessel函 数的零点,^是周期结构波导的平均半径,β是传播常数,η是Bragg共振的阶数,Λ是起 伏结构的周期长度;波导a的结构参数是由相同横模间的共振条件给出的,波导b的结构参 数是由不同横模间的共振条件给出的;每个波导的半径
其中η = 1,2 ;
称为短半径,
:称为长半径;ε为周期波导壁的起伏高度,长半径与短半径部分的 长度相同为Λ/2。
[0011] 通过改变所述结构波导的周期个数、平均半径和周期大小是可变的,周期大小和 平均半径改变两个波导的周期个数可以改变滤波器的滤波带宽以及透过率。
[0012] 所述周期结构波导为中空波导,其填充物为空气。
[0013] 本发明的有益效果在于:
[0014] 体积小、结构简单、容易生产、操作简便;频带窄、所滤出的太赫兹电磁波的带宽可 达到0. 24MHz,透过率大于99% ;无方向要求,滤波器双向可用;中心波长可以通过调节两 个周期结构波导尺寸来控制,透过率可通过改变两个波导的周期个数来控制;滤波器为完 全的金属闭合结构,避免了电磁辐射和介质损耗,不需要考虑封装问题;相比于其他类型的 滤波器有高Q值、低插损、结构简单、使用方便、体积小、运用的材料普遍、透射率高、带宽窄 且可调、中心频率可调。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明中采用的圆柱状周期结构波导的剖面图;
[0016] 图2为本发明一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器的剖面图;
[0017] 图3为可调太赫兹波窄带滤波器的频谱图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0019] 本发明提供一种复合波导结构可调太赫兹波窄带滤波器。它由两段周期结构圆柱 状中空金属波导(波导a,凡个周期;波导b,N b个周期)组合连接而成。波导a的平均半 径和周期长度都略小于波导b,波导结构参数由。
[0020] 色散曲线上的布拉格与非布拉格共振条件给出。每个波导的半径呈周期性变化。 通过分别改变两个波导的周期个数、周期大小和平均半径可实现太赫兹波透射中心波长和 透射带宽的有效调控。本发明结构简单、体积小、频带窄、工作效率高、可调谐,并且具有良 好的频率选择性。将在太赫兹应用领域如:通信、材料科学、生物学、地球物理、空间科学等 领域中得到广泛的应用。
[0021] 为克服现有技术的不足如:滤波性能不好、结构复杂、材料昂贵、制作困难、需要封 装、加热等。本发明采用完全的金属闭合结构,避免了电磁辐射和介质损耗,无需要考虑封 装问题。
[0022] 本发明提供了一种复合波导结构太赫兹波窄带滤波器,它由两段周期结构圆柱状 中空金属波导(波导a,波导b)组合连接而成,其半径函数为
周期为Λ与输入波 的频率、平均半径等有关。波导a的平均半径和周期长度都略小于波导b,波导a的周期结 构参数是由相同横模间的共振条件给出的,波导b的结构参数是由不同横模间的共振条件 给出的。两个周期结构波导的周期个数、平均半径和周期大小是可变的,通过改变周期大小 和平均半径等参数可以改变滤波的中心频率,通过改变两个波导的周期个数可以改变滤波 器的滤波带宽以及透过率。
[0023] 所述复合波导管壁材料为低损耗金属,比如银、铝或金。复合波导结构为中空波 导,其填充物为空气。其制作方法是使用MEMS深度光刻工艺在聚合物上加工所述矩形周
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