太赫兹波光子晶体滤波器的分析

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1、南京邮电丈学硕士研究生学位论文第一章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．一．．．．．．．．．．．．．．—÷1010-10Io’10i10'10"10"‘to"№*图l1太赫兹波在电磁波谱中的位置但是，自20世纪80年代以来随着自由电子激光器和超快技术的发展，产生了超短激光脉冲选通半导体开关，为THz脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源m，使n{z辐射的产生、检测和应用技术的研究得到了蓬勃发展。THz波具有以下性质：(1)、瞬态性：THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰；(2)、宽带性：THzN冲源通常包括若干个周期

2、的电磁振荡，单个脉冲的频宽可以覆盖从0№至几十THz的范围；(3)、相干性：THz的相干源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生；(4)、低能性：THz光子的能量只有104口r，不易破坏被检测的物质，适合生物大分子与活性物质结构的研究；(5)、穿透性：Ⅱlz辐射具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透物质如烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。n{z辐射的上述特点决定了它在很多基础研究领域有着相当重要的应用前景，在通信方面的有一些独到的优势。太赫兹通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的空间通信。因为太赫兹波

3、介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，所以它集成了微波通信与光通信的优点。(1)相对于微波通信而言：(a)太赫兹通信传输的容量更大．太赫兹波的频段在01～10THz之间，比微波通信高出1卅个数量级，可提供高达10GB／S的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍；(b)太赫兹波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；(c)太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力：(d)由于太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其它的系统结构也可以做得更加简单、更加经济。(2)相对于光通信而言：(曲用光子能量约为可见光的1／40的THz波作为信

4、息载体，能量效率更高⋯；(b)THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，它可以实现全天候的工作。当然．太赫兹波在通过大气时，由于水蒸气而导致的强吸收、低效率以及在目前可选的THz源中相对低发射功率会给太赫兹通信带来明显的2堕墨曼里茎羔塑主坚墨竺兰堡堡兰墨二兰堕堡不利，但是，随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统的日益突破占有很多独特优势的太赫兹通信必将指日可待。1l2现有的THz波滤波器众所周知，对于任何波段电磁波的应用都有三个重要环节：辐射源、传输和探测，只有对这三个重要环节的研究都有所突破，才能真正实现THz波段的应用。目前对THz波段的研究主要集中在n垃光源和探测上，控制其

5、传输的研究相对较少。IHz波滤波器是从包含多个频率分量的信号提取出所需要频率的信号，是一种重要的控制他波传输的器件。作为嗍信系统的关键器件，THz波滤波器的发展对整个TIqz通信系统的发展具有很大的意义。1999年，英[虱MichaelEMacDonald等在介质薄膜上放置金属薄片交叉槽孔来实现了THz带通滤波器”1如图1．2(a)所示，图I2(b)为不同入射角度时TE模的透射谱曲线，从图12∞中可以看到21Hz一25他的透过率大于40％。这种滤波器的优点是很容易制作，但室温下在中心频率22THz处．插入损耗达到19dB。蕊l++++J迁士±爿图l2(a)滹被器的几何结构(b)不同入射角度时的

6、1E模的透射谱2004年，日本物理化学研究所虽近用多层约瑟夫结制成了他波滤波器川，其反射率曲线如图13所示。多层约瑟夫结与结构内传输的THz波发生相互作用．形成一定的禁带。入射的磁场不同，晶体的反射和透射系数也就不同，从而通过调节磁场的频率可以获得不同nIz波段的光子带隙。这种结构的光子晶体可以制成可调THz波滤波器。图13fa)为h=02(h的单位为任意单元hu．))，波矢为03口时的反射曲线；图l3(b)为波矢为005z，h--02(菱形)，h=0．05(圆形)，h=o(实线)时的反射曲线，可以看到，采用不同的磁场．得到的反射率不同，这就实现了仳可调滤波器的功能。南京邮电太学髑士研究生学位

7、论文第一章绪论茸言E点lI曹毫童蛊岂l，丫L●图1,3日本制作的THz光子晶体滤波器在不同入射磁场下的反射率曲线(a)h-020)h=0．2(菱形)，h=0．05(圆形)，h_0(实线)这种滤波器的反射或透射特性可以通过磁场来调节，但是系统的功能并不易实现，因为只有磁场方向与入射磁场方向一致的ⅡIz波才能通过此层状系统。2005年，我国台湾国立交通大学Ru-PinP如等利用液晶实现TTHz利奥型可