一种机械调控下的可调太赫兹滤波器及制作方法
【专利摘要】本发明提供一种机械调控下的可调太赫兹滤波器及制作方法，包括设置在爱金属外壳内的基底，在基底内设置有周期结构的圆柱状中空波导A和波导B，波导A和波导B之间的空隙形成了以基底为管壁的、长度可调的圆柱状中空波导C，波导A和波导B的长半径、短半径以及周期长度均相同，波导A和波导B的占空比不相同。本发明具有结构简单、体积小、可调谐等优点，能够在军事、医学、工业等领域中得到重要的应用。
【专利说明】
一种机械调控下的可调太赫兹滤波器及制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太赫兹功能器件，尤其涉及一种机械调控下的可调太赫兹滤波器 及制作方法。
【背景技术】
[0002] 由于太赫兹波具有光子能量低、穿透能力强、时间和空间分辨率高等特点。使其在 公共安全、医学检查、通信、医学和雷达等很多领域都有具有广泛的应用和发展前景。这些 方面都需要性能良好的太赫兹系统，这样就急需高性能的太赫兹功能器件。机械调控太赫 兹功能器件是太赫兹波技术领域中的一个重要的应用，由于太赫兹时域光谱测量技术的优 势和机械应力的特点，故机械调控下的可调太赫兹滤波器在遥感探测、无损检测和工程监 测等方面具有重要的实际价值。
[0003] 现阶段已有的太赫兹滤波器种类繁多，如光子晶体型、超颖材料型和表面等离子 型等。国内外都取得了很多的研究成果。2009年南京邮电大学光通信研究所得陈鹤鸣和孟 晴在《物理学报》上发表了《高效光子晶体太赫兹滤波器的设计》，研究了太赫兹波在二维光 子晶体中的传播特性，利用波导线缺陷和腔体点缺陷的耦合特性实现滤波功能，该滤波器 在3.6231THZ处耦合效率达到了90 %以上。2011年南开大学现代光学研究所的郭展和范飞 等人在《物理学报》上发表了文章《基于磁光子晶体的磁控可调太赫兹滤波器和开关》，设计 了一种基于铁氧体磁性材料光子晶体波导的磁控太赫兹连续可调的滤波器，通过调节外加 磁场大小来改变磁性材料磁导率，以改变光子晶体带隙，从而实现在0.8314~1.0854THZ内 可调的滤波器功能。2011年加拿大阿尔伯塔大学的(：. 11^1^33丨811^和1￥上1622313；[在了 Infrared MilliTerahz Waves上发表了文章 "A Dual-Mode Terahertz Filter Based on a Metallic Resonator Design"，研究了一种基于超材料人工结构的太赫兹滤波器，这个 结构在0.1~1.4THz的工作频段内，可以同时表现出低通、带通和带阻滤波器的特性。2013 年中国计量学院太赫兹技术与应用研究所得王文涛等人在《光学学报》上发表了《基于三个 方形封闭谐振环的多频带太赫兹滤波器》，研究了一种由三个方形封闭谐振环(CRR)嵌套组 合而成的三频带太赫兹滤波器，通过调节每个CRR的尺寸或周期来设计滤波器的共振频率。 2015年俄罗斯的 ΙΤΜ0大学的E · A · Sedykh等人在J · Phys上发表了 "Tunable narrowband filters with cross-shaped resonators for THz frequency band"，石开究了一种在半导 体基底上X形的金属谐振器的太赫兹波传输特性，通过改变X形金属谐振器的尺寸和角度可 以调节透射峰的宽度，通过调苄基底的介电常数可以控制透射峰的位置。2015年南京大学 的葛士军等人在 Chin.0pt.Lett·上发表了文章 "Tunable terahertz filter based on alternative liquid crystal layers and metallic slats"，研究了一种由交替的液晶 层和金属板条组成的伪法布里-珀罗滤波器，通过温度控制液晶的折射率使其在0.1~ 1.5THz的工作频段内可调。
[0004] 近些年发表的太赫兹滤波器专利也有很多，2013年北京邮电大学的张金玲等人发 表了专利《一种T形结构太赫兹滤波器》(专利公开号CN 203367450U)，提出了一种通过调节 T形结构排列的结构尺寸和间距，来实现调整谐振频率目的的可调太赫兹滤波器。2014年上 海理工大学的袁明辉等人发表了专利《非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器》(专利公 开号CN 103576228Α)，提出了一种基于非周期表面等离子体光栅结构的太赫兹滤波器，应 用了表面等离子波的传输来减少损耗，并且可以根据中心频率和滤波特性去设计结构参 数。2015年国家纳米科学中心的董凤良等人发表了专利《一种多波段太赫兹滤波器及其制 作方法》(专利公开号CN 104505561Α)，提出了一种在带衬底的金属薄膜上做多元环周期结 构的多波段太赫兹滤波器，可以改变多元环周期结构的环数和尺寸，来控制滤波的频段和 波段数。
[0005] 上述这些种类的滤波器各有优点，可以应用在很多领域，解决很多问题。但是由机 械方法调控的太赫兹滤波器还很少，所以这种太赫兹滤波器的研究有着深远的意义和实用 价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，如滤波性能不好、结构复杂、材料昂 贵、需要封装、加热、和缺乏由机械调控的种类等而提供一种机械调控下的可调太赫兹滤波 器及制作方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：包括设置在爱金属外壳内的基底，在基底内设置有 周期结构的圆柱状中空波导Α和波导Β，波导Α和波导Β之间的空隙形成了以基底为管壁的、 长度可调的圆柱状中空波导C，波导A和波导B的长半径、短半径以及周期长度均相同，波导A 和波导B的占空比不相同。
[0008] 本发明还包括这样一些结构特征：
[0009] 1.波导A和波导B的管壁的材料是低损耗金属，基底的材料是可拉伸材料的高分子 聚合物。
[0010] 2. -种机械调控下的可调太赫兹滤波器的制造方法，
[0011] (1)使用MEMS深度光刻工艺在聚合物材料上加工出半径等于金属外壳内径的圆 柱，成形之后利用X-LIGA工艺在所述圆柱的外表面涂覆一层金属层，再将聚合物腐蚀掉，制 成金属外壳；
[0012] (2)使用MEMS深度光刻工艺在高分子聚合物材料上加工出周期结构的基底和波导 C，成形之后利用X-LIGA工艺在低损耗金属上加工出周期结构的波导A和波导B;
[0013] (3)将带有三种波导结构的基地放置在金属外壳内，制成机械调控下的可调太赫 兹滤波器。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明采用的材料是金属和机械性能良 好的高分子聚合物，解决了太赫兹功能器件在机械调控方面种类匮乏的问题。本发明采用 了机械拉伸的方式去实现调控功能;本发明结构简单、体积小、容易制作;本发明无方向要 求，两端均可实现滤波器的功能;本发明的透过率高、实用方便、材料普通、带宽可调、中心 频率可调。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的结构示意图；
[0016] 图2是波导A和波导B同时采用的是5个周期时的曲线图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0018] 如图1所示为本发明中理论计算时所用的结构的剖面图，Λ为周期结构波导的一 个周期长度，η为长半径，r2为短半径其中Α、Β和C分别代表波导Α、波导Β和波导C。理论计算 时选取的波导Α的占空比（一个周期内长半径部分占整个周期长度的比值)为0.5,波导Β的 占空比为0.4,波导C是最初始的长度是70μπι。两个周期结构波导由波导C连接，组成一个本 发明结构。图中浅色部分为机械性能良好的高分子聚合物，理论计算中选取的是聚酰亚胺 (polyimide)，深色网格部分为金属银(Ag)。直的虚线代表的是本发明结构的中心轴，弯曲 的虚线代表中间省略了几个周期，在理论计算时波导A和波导B同时采用的是5个周期。
[0019] 这里面两周期结构波导的参数为:η = 220μπι，Γ2 = 180μηι，Λ =183μηι;波导A的一个 周期内的长半径与短半径部分长度都是91.5μπι，波导B的一个周期内的长半径与短半径部 分长度分别为73.2μπι和109.8μπι，两周期结构波导的长半径波导管壁外的聚酰亚胺的厚度 是0.5μπι，短半径波导管壁外的聚酰亚胺基底的厚度是40.5μπι，长度分别为波导Α处的为 71.5μπι，波导B处的为89.8μπι。波导C的初始长度为70μπι，半径为230μπι。波导C处的聚酰亚胺 的厚度为〇·5μηι。
[0020] 当增加两个波导的周期个数的时候，滤波器的透射峰的带宽是可以变窄的，从而 实现了带宽可调的目的。当固定两周期结构波导的周期个数的时候，拉伸聚酰亚胺基底的 时候会使波导C的长度变长，这样会使滤波器透射峰的中心频率向低频移动，这样就实现了 透射峰的中心频率可调的目的。将本结构波导与微型机械结构结合起来，或者使用其它方 法达到拉伸基底的目的。
[0021] 图1中^为长半径，r2为短半径，Λ为周期结构波导一个周期的长度，1Α和1b分别表 示一个周期内波导A和波导B长半径部分的长度;A代表波导A，B代表波导B，C代表波导C;深 色网格部分为金属波导壁和金属外壳，浅色部分为机械性能良好的高分子聚合物(如聚酰 亚胺）；直的虚线代表这个结构的中心轴，弯曲的虚线代表中间的波导省略且中间的波导个 数可以根据设计而定；
[0022] 本发明的波导芯内的填充的是空气。
[0023]图2为波导A和波导B同时为5个周期；"C-70"，"C-80"，"C-90"分别代表波导C的长 度为 70μηι，80μηι，90μηι。
[0024] 本发明提供了一种机械调控下的可调太赫兹滤波器，它的结构是由两个中空圆柱 状周期结构波导(波导Α和波导Β)和一个中空圆柱状波导C组成的。波导Α和波导Β是通过X-LIGA工艺等技术，将低损耗金属加工到以机械性能良好的高分子聚合物基底上。这两个周 期结构波导的结构参数是由相同的布拉格共振条件给出的，其特点是它们的长半径Π 、短 半径r2和周期长度Λ都相同，它们的占空比(每个周期内长半径部分的长度1A或1b与周期长 度的比值)不同。制作机械性能良好的高分子聚合物基底时，在两周期结构波导之间留出一 段距离，形成以基底为管壁的波导C，由于波导C的管壁机械性能良好，所以可以通过机械拉 伸的方法来调节波导C的长度，以达到调控的目的，从而调控滤波器的中心频率。
[0025] 所述的圆柱状周期结构波导的管壁和金属外壳为低损耗金属，比如金、银、或铜 等。波导C的管壁是机械性能良好的高分子聚合物。三个波导都是中空的，其填充物为空气， 如果有需要也可以换成其它材料，根据设计而定。其制作方法是用MEMS深度光刻工艺，在聚 合物上加工出半径等于金属外壳内径的圆柱，成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物圆柱 的表面涂覆一层金属层，再将聚合物腐蚀掉，制成金属外壳，金属外壳的厚度为l〇ym，内径 为(n+10+0.5)μπι;之后使用MEMS深度光刻工艺，在机械性能良好的高分子聚合物材料上加 工出周期结构基底和波导C，成形之后利用X-LIGA工艺将低损耗金属加工出周期结构波导A 和波导B，这里周期结构波导的管壁厚度为ΙΟμπι，波导C的半径为(η+10)μπι，波导C的管壁厚 为0·5μηι，故高分子聚合物基底的外半径为(ri+10+O· 5)μηι，波导C处的内半径为(η+10)μπι， 周期结构的基底处的内半径分别为(η+10)μπι和(Γ2+10)μπι，周期结构短半径处的基底厚度 为(η- Γ2+0.5)μπι。周期结构处的基底上每个周期内，波导Α短半径处的基底长度为（Λ-1α-20)μπι，波导Β短半径处的基底长度为（Λ-1 Β-20)μπι。最后将带有三种波导结构的聚合物基 底放到金属外壳内。
[0026]发明原理
[0027] 两个中空的周期结构波导的结构参数是由色散曲线给出的，其表达式如下：
[0028]
[0029] 其中，m代表第m阶横向模式，是第m阶Bessel函数的零点，r是周期结构波导的 长半径与短半径的平均值，β是传播常数，η是布拉格共振的阶数，Λ是矩形起伏结构的周期 长度。在周期结构波导中，由于周期状起伏结构的存在，使得横向模式之间会发生共振，从 而产生频率禁带。当m相同时是由相同横向模式之间发生的共振被称为布拉格共振，产生布 拉格禁带。当m不同时是由不同的横向模式之间发生的共振称为非布拉格共振，产生非布拉 格禁带。这里的两个周期结构波导的结构参数就是由相同横模间的共振条件(m=l，n = 0和 m=l，n = l)给出的。
[0030] 当两个周期结构波导单独的时候，0.8~1.1THZ全都是禁带，但是用圆柱状波导C 将它们连接起来后，就会在它们重合的禁带内产生一个很窄的通带，实现滤波器的功能。这 个通带产生的原因是，由于波导C的引入使得两个周期结构波导的周期结构的完整性被破 坏，使得在波导C处发生个局部共振，产生了一个很窄的通带。
[0031] 本发明包括长半径n、短半径r2和周期长度Λ都相同，但占空比（每个周期内长半 径部分的长度与周期长度的比值)不同的两种周期结构圆柱状中空波导(波导Α和波导Β)， 一个圆柱状中空波导C，高分子聚合物基底和金属外壳组成的。
[0032] 所述的两种周期结构圆柱状中空波导的管壁采用的材料为低损耗金属，如金、银 或铜。所述的一个圆柱状中空波导的管壁采用的材料，为机械性能良好的可拉伸材料的高 分子聚合物，如聚酰亚胺(Polyimide)和聚二甲基硅氧烷(Polydime-thyisiloxane)等。
[0033] 两种周期结构圆柱状中空波导结构是通过X-LIGA工艺等技术，加工到以低损耗金 属为外壳的机械性能良好的高分子聚合物的基底上，并且在加工上述基底时，在两种周期 结构圆柱状中空波导结构中间留出所设计的距离，这样形成了一个以这种高分子聚合物为 基底为管壁的圆柱状中空波导C。
[0034] 通过机械的方法拉伸高分子聚合物基底，使得波导C的长度得到调节，这样可以达 到调控滤波器中心频率的目的。
[0035] 可以通过调节两个周期波导的周期个数来实现对透射峰带宽调控的功能。
[0036] 两种周期结构圆柱状中空波导(波导A和波导B)，一个圆柱状中空波导C，其填充物 均为空气。
[0037] 两种周期结构中空波导（波导A和波导B)，它们的占空比不同，且根据设计它们的 占空比是可以变化的，圆柱状中空波导C其长度是可以调控的。
[0038] 两周期结构波导的周期个数和圆柱状中空波导的长度是可以根据设计而改变的。
[0039] 其制作方法是用MEMS深度光刻工艺，在聚合物上加工出半径等于金属外壳内径的 圆柱，成形之后利用X-LIGA工艺在上述聚合物圆柱的表面涂覆一层金属层，再将聚合物腐 蚀掉，制成金属外壳，金属外壳的厚度为ΙΟμπι，内径为(n+10+O · 5)μπι;之后使用MEMS深度光 刻工艺，在机械性能良好的高分子聚合物材料上加工出周期结构基底和波导C，成形之后利 用X-LIGA工艺将低损耗金属加工出周期结构波导Α和波导Β，这里周期结构波导的管壁厚度 为ΙΟμπι，波导C的半径为(η+10)μπι，波导C的管壁厚为0·5μηι，故高分子聚合物基底的外半径 为(ri+10+O. 5)μηι，波导C处的内半径为(η+10)μπι，周期结构的基底处的内半径分别为(ri+ 10)μηι和0-2+10)μηι，周期结构短半径处的基底厚度为(ri_r2+0.5)μηι。周期结构处的基底上 每个周期内，波导Α短半径处的基底长度为（Λ-1 Α-20)μπι，波导Β短半径处的基底长度为 (Λ-1Β-20)μηι。最后将带有三种波导结构的聚合物基底放到金属外壳内。
[0040] 金属壳的厚度、高分子聚合物基底的厚度、周期结构波导管壁的厚度均是可以根 据设计而定的。
[0041] 金属壳、机械性能良好的高分子聚合物和周期结构波导的管壁，其材料的选择是 可以改变的。
[0042] 本发明提供一种机械调控下的可调太赫兹滤波器。它的结构是由两个中空圆柱状 周期结构波导（波导Α和波导Β)和一个中空圆柱状波导C组成的。波导Α和波导Β是通过X-LIGA工艺等技术，将低损耗金属加工到以机械性能良好的高分子聚合物基底上。这两个周 期结构波导的结构参数是由相同的布拉格共振条件给出的，其特点是它们的长半径Π 、短 半径r2和周期长度Λ都相同，它们的占空比(每个周期内长半径部分的长度1A或1b与周期长 度的比值)不同。制作机械性能良好的高分子聚合物基底时，在两周期结构波导之间留出一 段距离，形成以基底为管壁的波导C，由于波导C的管壁机械性能良好，所以可以通过机械拉 伸的方法来调节波导C的长度，以达到调控的目的，从而调控滤波器的中心频率。本发明具 有结构简单、体积小、可调谐等优点，能够在军事、医学、工业等领域中得到重要的应用。
【主权项】
1. 一种机械调控下的可调太赫兹滤波器，其特征在于:包括设置在爱金属外壳内的基 底，在基底内设置有周期结构的圆柱状中空波导A和波导B，波导A和波导B之间的空隙形成 了以基底为管壁的、长度可调的圆柱状中空波导C，波导A和波导B的长半径、短半径以及周 期长度均相同，波导A和波导B的占空比不相同。2. 根据权利要求1所述的一种机械调控下的可调太赫兹滤波器，其特征在于:波导A和 波导B的管壁的材料是低损耗金属，基底的材料是可拉伸材料的高分子聚合物。3. -种权利要求2所述的机械调控下的可调太赫兹滤波器的制造方法，其特征在于： (1) 使用MEMS深度光刻工艺在聚合物材料上加工出半径等于金属外壳内径的圆柱，成 形之后利用X-LIGA工艺在所述圆柱的外表面涂覆一层金属层，再将聚合物腐蚀掉，制成金 属外壳； (2) 使用MEMS深度光刻工艺在高分子聚合物材料上加工出周期结构的基底和波导C，成 形之后利用X-LIGA工艺在低损耗金属上加工出周期结构的波导A和波导B; (3) 将带有三种波导结构的基地放置在金属外壳内，制成机械调控下的可调太赫兹滤 波器。
【文档编号】H01P1/207GK105932380SQ201610309166
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】樊亚仙, 徐兰兰, 桑汤庆, 徐丹, 陶智勇
【申请人】哈尔滨工程大学