新型光子晶體THz濾波器

摘 要：提出了一種新型基于光子晶體的太赫茲濾波器，該濾波器在線缺陷中設計了由三個點缺陷構成的諧振腔，能夠實現(xiàn)雙波長的高效濾波功能。文中使用平面波展開法（PWM）分析了正方晶格光子晶體的帶隙結構，并利用時域有限差分法（FDTD）研究了濾波器的一些性能指標。仿真結果表明，該新型濾波器能夠把頻率為3.413 THz和3.222 THz的太赫茲波濾出，并且具有濾波帶寬窄、體積小等優(yōu)點。

關鍵詞：光子晶體；THz波；濾波器；時域有限差分法

中圖分類號：TN713；O451文獻識別碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0032-02

0引 言

隨著太赫茲[1-3]通信技術的不斷發(fā)展，各種性能優(yōu)良的太赫茲通信器件[4-6]成為了人們迫切的需求。THz濾波器是通信系統(tǒng)中的基本器件，濾波器能夠選擇濾出攜帶特定信息的波，另外也可以降低系統(tǒng)中的噪聲干擾從而提高了整個系統(tǒng)的性能。光子晶體是一種新型的材料，利用其對光具有非常好的處理能力，研究人員設計出許多性能很好的太赫茲通信器件[7-8]。光子晶體太赫茲濾波器[9-10]的設計主要分為兩類：一維光子晶體濾波器和二維光子晶體濾波器。本文是利用正方晶格二維光子晶體設計出了一種新型THz濾波器。目前大部分THz濾波器是利用在二維光子晶體中引入線缺陷和單個點缺陷形成的諧振腔來實現(xiàn)THz波的耦合濾波[11-13]。但是單個點缺陷只能出現(xiàn)單個缺陷模，不利于多波長的同時處理。為了設計出多個缺陷模的諧振腔，本文設計了在二維光子晶體的線缺陷中中引入三個點缺陷按照一定規(guī)律構成的諧振腔，這種濾波器結構簡單，而且可以實現(xiàn)雙波長的濾波功能。仿真結果表明該新型濾波器能夠同時實現(xiàn)雙波長濾波，結構簡單易于集成并且耦合下載效率高，在未來太赫茲通信系統(tǒng)中將有重要的應用價值。

1新型THz濾波器的結構模型

本文中THz濾波器采用的是二維正方晶格光子晶體，圓形介質(zhì)柱構成了光子晶體結構，介質(zhì)柱材料為硅，折射率為3.4，背景材料為空氣折射率為1，周期常數(shù)是30 洀，而硅介質(zhì)柱半徑是6 洀，具體的結構如圖1所示。

本文利用Rsoft軟件中的BandSolve功能模塊計算仿真了完整晶格結構的光子晶體帶隙，圖2所示是正方晶格Si介質(zhì)柱光子晶體帶隙的結構圖。

圖1正方晶格Si介質(zhì)柱光子晶體

（a）TE模（b）TM模

圖2正方晶格Si介質(zhì)柱光子晶體帶隙結構圖

從圖2（a）、（b）中可看出，由硅介質(zhì)柱和空氣背景組成的正方晶格的帶隙結構，在正方晶格產(chǎn)生的禁帶中都是TE模，而相對而言，是不存在TM模的。在圖2（a）中，兩塊陰影部分就是光子晶體的禁帶，進而可得到兩部分的歸一化頻率（a/λ）范圍分別是0.286 88～0.420 27和0.71993～0.74734，計算可得禁帶寬度分別為0.133 39和0.027 41，最終可得波長范圍是71.382 6～104.573 3 洀諛40.142 3～41.670 7 洀，對應頻率是2.868 8～4.202 7 THz和7.199 3～7.473 4 THz。本文所設計的THz濾波器的濾波波長在第一個禁帶波長范圍中。

新型太赫茲濾波器的具體結構設計思想是：濾波器的波導是由沿著Z軸方向去掉完整晶格中一排Si介質(zhì)柱形成的線缺陷；耦合諧振腔是由三個點缺陷優(yōu)化的組合構成，主波導中組合缺陷兩邊各有2個Si介質(zhì)柱，這樣的設計可以使組合點缺陷形成完整的諧振腔結構。由于組合點缺陷構成的諧振腔具有很強的光子局域能力，這樣和缺陷模對應頻率的THz波入射到濾波器中時首先是沿著線缺陷構成的波導傳輸，然后經(jīng)過諧振腔耦合到另一端，而其他的頻率的THz波將被阻隔在諧振腔處不能通過，這樣濾波器實現(xiàn)把選擇對應THz波耦合下載，具體結構如圖3所示。

2濾波器的性能分析

2.1缺陷模特性分析

現(xiàn)考慮一束TE模（即電場方向Ey與2D平面垂直）太赫茲波從濾波器的組合點缺陷入射情況，三個點缺陷的半徑分別是3.2 μm，13 μm，3.2 μm。根據(jù)FDTD 算法進行仿真，可以得到此時組合點缺陷處的諧振頻率波長為87.9 μm、93.1 μm，對應的頻率分別是3.413 THz和3.222 THz，兩個波長的透射峰值都很高，具體的缺陷模如圖4所示。

圖3新型濾波器結構圖4諧振腔的缺陷模

2.2濾波器的場強分布

本文設計的新型濾波器可以實現(xiàn)波導過濾輸出雙波長的功能，所以為了進一步分析其性能，考慮三種情況下濾波器的工作狀況：

第一種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長為非缺陷模對應的太赫茲波，這里代表性選擇波長位于兩個缺陷模中間的一個波長為90 μm的太赫茲波。這個波長的太赫茲波是不能經(jīng)過組合缺陷諧振腔耦合輸出的。

第二種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長為兩個缺陷模中的波長為87.9 μm的太赫茲波。這個波長的太赫茲波是可以經(jīng)過組合諧振腔耦合輸出的。

第三種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長是兩個缺陷模中另一個波長為93.1 μm的太赫茲波。這個波長的太赫茲波也是可以經(jīng)過組合諧振腔耦合輸出的。

根據(jù)圖5可知，正方晶格光子晶體在引入一條線缺陷與三個點缺陷后，完全可以濾出兩束不同的太赫茲波。這就克服了一般濾波器中單個點缺陷只能濾出單束太赫茲波的不便。

3結語

本文提出了一種正方晶格雙波長THz濾波器的方案。通常單個點缺陷控制一束太赫茲波，而通過引入三個點缺陷優(yōu)化組合之后具有可以同時控制兩束太赫茲波的優(yōu)勢。同時，文中還分析了濾波器的幾種工作情況下穩(wěn)態(tài)場強分布，從而證明此濾波器是可以實現(xiàn)的，并且具有良好的性能，將在未來太赫茲通信系統(tǒng)中具有重要的應用價值，而本文的研究也可以為進一步設計太赫茲器件提供一些參考。

（a）輸入波長為90 μm的太赫茲波

（b）輸入波長為89.7 μm的太赫茲波 （c）輸入波長為93.1 μm的太赫茲波

圖5不同輸入波長的太赫茲波濾波情況

參 考 文 獻

[1] GRISCHKOWSKY D， KEIDING S， EXTER M， et al. Far-infrared time-domain spectroscopy with Tera Hz beams of dielectrics and semiconductors [J]. Journal of Opt. Soc. B， 1990（7）： 2006-2015.

[2] MITTLEMAN D， GUPTA M， NEELAMANI R， et al. Recent advances in terahertz imaging [J]. Applied Physics B， 1999， 68： 1085-1088.

[3] SIEGEL P H. Terahertz Technology [J]. IEEE Transactions on MTT， 2002， 50（3）： 910-928.

[4] SONG H J，AJITO K，MURAMOTO Y，et al.Metal-organic chemical vapor deposition-grown Fe-doped InGaAs [J]. Appl. Phys.， 2012， 48（15）： 953-954.

[5] TAKESHI S， TOSHIKAZU M， MASASHI K， et al. Giga- bit wireless communication at 300 GHz using resonant tunneling diode detector [C]// Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference. [S.l.]： APMC， 2011： 1122-1126.

[6] Anon. Technology trends of telecommunications above100 GHz [R]. Manila： [s.n.]， 2011.

[7] NMEC H， DUVILLARET L， GARET F， et al. Thermally tunable filter for terahertz range based on a one – dimensional photonic crystal with a defect [J]. Journal of Appl. Phys.， 2004， 96（8）：4072-4075.

[8] 周 梅， 陳效雙， 王少偉， 等. THz波段的F-P光子晶體濾波器[J]. 物理學報，2006， 55（7）： 3725-3729.

[9]黃小琴.太赫茲波段濾波器[D].南京：南京郵電大學，2008.

[10]陳鶴鳴，孟晴.高效光子晶體太赫茲濾波器的設計[J].物理學報，2011，60（1）：238-242.

[11] SHARKAWY A， SHI S， PRATHER D W. Multichannel wavelength division multiplexing with photonic crystals [J]. Applied Optics， 2001（40）： 2247-2252.

[12]吳斌，王慶康. 帶放射回饋的高效光子晶體多路濾波器件[J]. 光學精密工程，2007 ，15（8）：1208-1204.

[13]石潔，陳鶴鳴.光子晶體太赫茲雙波長濾波器的設計[J].通信技術，2013（7）：154-158.