thz光子晶体滤波器的设计和特性分析

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论图1．2混合型量子阱结构示意图以及在三种不同的激光器功率下该结构的归一化太赫兹传输谱【6l2．基于光栅的太赫兹滤波器2003年，德国Erlangen-Nuremberg大学StephanBiber等[71使用高效率二元光栅作为频率选择器件，实现了中心频率在300GHz，截止频率为450GHz的带通滤波器。这一滤波器是基于光栅理论来实现的，结构中使用的矩形槽光栅可以通过常规的机械加工方法制备。通过严格的衍射理论控制光栅输入损耗，使其效率最优化，在300GHz处的透射率可达99．5％。3．基于表面等离子体的太赫兹滤波器韩国首尔大学J．W．L∞

2、等【8】，利用如图1．3(a)所示结构实现了中心频率可调的太赫兹滤波器。这一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(正方形、圆形、长方形、c形、e形等)来实现的。图1．3是滤波器结构的扫描电子显微镜(SEM)图、加工过程以及其频率传输特性。从图1．3可知，滤波器对某些特定的频率可以实现99％的透过率。图1．3(a)具有不同形状周期性孔的等离子体结构的SEM；(b)实验系统的设置图；(c)蓝线为经过圆形孔后的传输谱，红线为经过另一个垂直圆形孔后的传输谱‘814．基于超颖材料的太赫兹滤波器2003年，加州大学的研究小组提出了一种太赫兹等离子体高通滤波器【9】，该结构是

3、基3南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论于一种新型的人工材料，这种人工材料由开口的环型谐振器与细长金属导线阵列结合得到，可以通过设计使得特定频率处的折射率、介电常数等参数为负，表现出不寻常的电磁特性，因而又被称为超颖材料。图1．4所涉及到的超颖材料是由薄金属线组成的二维正方体晶格，其中金属线的直径30mm，长度lmm，晶格常数是120ram。高通滤波器常用于太赫兹成像领域，主要用来滤除温度辐射信号，提高成像质量。图1．4是超颖材料的SEM图和反射谱。图1．4超颖材料结构的SEM图和其在太赫兹频率范围的反射谱网5．基于光子晶体的太赫兹滤波器光子晶体是1987年才提出的新概念和

4、新材料，这种材料具有独特的特性，如光子禁带、偏振特性、局域化等，这些独特的特性决定了光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件【lol，因此，光子晶体也被科学界和产业界称为“光半导体"或“未来的半导体’’。光子晶体的这些特性同样适用于THz波段，并且在THz波段具有一定的优势，因为THz波段的光子晶体结构跟光学波段的光子晶体结构相比在制作上容易得多，跟微波段的光子晶体结构相比具有一定的紧凑性。THz光子晶体滤波器就是其中一种吸引了众多科学家兴趣的光子晶体器件。近年来也出现了多种基于光子晶体的太赫兹滤波器结构，本文将在下一节给予详细介绍。为了更好地理解THz光子晶体

5、滤波器的概念及其特性，本章先对光子晶体的概念作一简单的介绍，然后再介绍THz光子晶体滤波器的基本理论及其数值研究方法。1．3太赫兹光子晶体滤波器简介1．3．1光子晶体简介光子晶体的概念是由美国贝尔通讯研究中心的Yablonovitch和普林斯顿大学物理系的John于1987年几乎同时提出来的，自此以后人们研究光子晶体的兴趣越来越浓。光子晶4南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论体也称光子带隙材料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周期排列的晶体，其晶格常数与工作波长在同一个数量级。传统光子晶体能带材料(PBG)是具有周期结构的、并在频谱上产生能隙的合成物质。例如

6、，多层膜结构的一维光子晶体，二维对称有序介电柱状排列，以及三维球体组成的FCC或BCT晶体结构(如图1．5)。图1．5光子晶体空间结构示意图【ll】对于一维光子晶体，介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只可能在这一方向上产生光子禁带；对于二维光子晶体，介电常数在两个空间方向上呈现周期分布，可能产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上；三维光子晶体具有全方位的周期结构，理论上可在所有方向上产生光子禁带。本文主要研究二维光子晶体。二维光子晶体沿晶体两个轴向具有周期性介电常数，而第三个方向的介电常数保持不变。本文所研究的二维光子晶体主要有真空(空气)中周期排列圆柱形介质柱以

7、及背景介质材料上周期镶嵌空气柱而形成的两类光子晶体。晶格排列情况主要有正方晶格以及正三角晶格两种，如图1．6和1．7所示。虽然己经出现了各种不同结构的二维光子晶体，但其能带计算的基本原理是相同的。．●．●●●：●●．’●●!o．●●：●●囊◆◆●●●．●：●◆。●．◆●●．●◆●●●◆◆，●．●一●一●●●●一●●．●哆◆●．囊●●‘●◆●●o◆◆●●●◆●●‘●图1．6正方晶格二维光子晶体图1．7正三角晶格二维光子晶体1．3．2光子晶体的特点及应用光子晶体这种特殊的微结构材料具有以下几个特