基于多孔硅的太赫兹滤波器

摘要

本发明涉及一种基于多孔硅的周期性光栅结构的太赫兹滤波器，多孔硅与高阻硅在太赫兹波传播方向上等间隔交替周期性排列，并且在输入输出端设置锥形减反结构。多孔硅区域内微孔平均孔径0.01-20μm，径深比为1:50~1：1000。锥形减反结构，其边长0.01-20μm，锥角为30-120度。高阻硅为基片。本发明的有益效果是：本发明所提出的基于多孔硅的太赫兹滤波器通过调节周期长度和周期数从而方便实现在太赫兹波段的滤波性能参数；与传统滤波器相比，具有成本低廉，制作方便，损耗小和便于调节等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种太赫兹滤波器，具体涉及一种基于多孔硅的太赫兹滤波器。 

背景技术

    太赫兹波介于微波和光波之间，是电子学向光学的过渡区域，有着重要的学术和应用研究价值。早在上世纪70年代，太赫兹波就引起了科学家的关注，但是由于这一波段的产生方法和探测手段相比于微波和光波还十分落后，对太赫兹波段各方面特性的研究和了解还非常有限，而且基本上还停留在理论层次上，形成了所谓的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。近些年来，太赫兹波的产生和探测技术取得了很大的进展。随着量子级联激光器、自由电子激光器、光学差频方法以及通过光整流等产生较大功率的连续太赫兹波方法的出现，以及超外差式和直接探测器等太赫兹探测技术的发展，使得太赫兹技术的应用成为可能。 

太赫兹系统主要由辐射源、探测器和各种功能器件组成，相对于太赫兹波发射源及探测器的快速发展,太赫兹波段功能器件的发展比较缓慢。很多器件的研究仅停留在设计阶段,而少数加工出来的样品,其测量得到的特性不够理想，或者是加工工艺较复杂、不易于推广。现阶段迫切需要深入研究开发实用化的太赫兹波段的各种功能器件,促进太赫兹科学技术的研究与应用 

太赫兹技术在生物、国防以及基础研究等方面有许多重要的应用,但是由于系统噪声和应用需要等原因，需要滤除某些频率范围，以提高系统的性能，实现对太赫兹波技术的实际有效的应用,与之相关的太赫兹滤波器等功能器件至关重要。例如，太赫兹通讯系统中，为了避免同频干扰，通常采用频分复用技术——用户之间采用不同的频率，这样就必须使用窄带太赫兹带通滤波器将各频率分量分离。又如，在太赫兹生物探测系统中，采用太赫兹特征谱的方法鉴别生物大分子或者细胞结构，这样就必须使用太赫兹窄带滤波器将其太赫兹特征谱所在的频段滤出加以分析鉴别。可见，太赫兹滤波器是太赫兹系统必不可少的核心基础部件之一。

目前，太赫兹滤波器主要有三大类：基于光子晶体的太赫兹滤波器、基于表面等离子体等周期结构的太赫兹滤波器和基于量子阱结构的太赫兹滤波器。但是绝大多数的滤波器都处于实验室研究阶段，距离实用还有一段距离。如光子晶体型滤波器不可调节，损耗比较大；普通的周期性结构的表面等离子体太赫兹滤波器旁瓣抑制比比较低。因此，研制出低损耗、高选择性的实用化的太赫兹滤波器至关重要。 

发明内容

本发明是要提供一种基于多孔硅的太赫兹滤波器，用于克服上述现有太赫兹滤波器的某种或某些缺点。 

为实现上述目的，本发明的技术方案是： 

一种基于多孔硅的周期性光栅结构的太赫兹滤波器，包括多孔硅、高阻硅，其特点是：多孔硅与高阻硅在太赫兹波传播方向上等间隔交替周期性排列，并且在输入输出端设置锥形减反结构。

多孔硅区域内微孔平均孔径0.01-20μm，径深比为1: 50~1：1000。 锥形减反结构，其边长0.01-20μm，锥角为30-120度。高阻硅为基片。本发明的有益效果是： 

本发明所提出的基于多孔硅的太赫兹滤波器通过调节周期长度和周期数从而方便实现在太赫兹波段的滤波性能参数；与传统滤波器相比，具有成本低廉，制作方便，损耗小和便于调节等优点。

附图说明

图1是本发明的太赫兹滤波器的整体结构示意图； 

图2是本发明的太赫兹滤波器的输入输出面的锥形减反结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的基于多孔硅的太赫兹滤波器。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其作出任何限制。 

如图1，2所示，本发明的基于多孔硅的太赫兹滤波器，其主要包括一个多孔硅与高阻硅在太赫兹波传播方向上等间隔交替周期性排列构成，并且在输入输出端采用锥形减反结构。 

h为硅片的厚度，P为结构周期长度， 为多孔硅内微孔的平均孔径。当入射太赫兹波的波长远大于多孔硅内微孔直径的时候，整个多孔硅层相当于一个体硅结构。其等效折射率n_eff介于硅3.42和空气1的折射率之间，由多孔硅的孔隙率决定（负相关），因而在硅片长度方向上形成了一个有效折射率周期性变化的类光栅结构。其中，结构周期P决定带通滤波中心频率（负相关），周期数决定带通滤波的带宽（负相关）。厚度h=0.05-10mm，周期P=5-1000μm，多孔硅内微孔平均孔径为0.01-20μm，径深比为1: 50到1：10000，长度方向上多孔硅层的占空比0.3-0.7；优选情况下，厚度h=0.5-10mm，周期P=5-1000μm，多孔硅内微孔平均孔径为0.01-1μm，径深比为1: 100到1：10000，长度方向上多孔硅的占空比为0.5。 

在本发明的一个具体实施例中，厚度h=0.05-10mm，周期P=5-1000μm，多孔硅内微孔平均孔径为0.01-20μm，径深比为1: 50到1：10000，长度方向上多孔硅层的占空比0.3-0.7，锥形减反结构的边长a为0.01-20μm，顶角θ为30-120度；优选情况下，厚度h=0.5-10mm，周期P=5-1000μm，多孔硅内微孔平均孔径为0.01-1μm，径深比为1: 100到1：10000，长度方向上多孔硅的占空比0.5，锥形减反结构的边长a为0.01-1μm，顶角θ为50-70度。 

在本发明的一个优选实施例中，滤波器的基片材质为高阻硅。 

如图2所示，太赫兹滤波器的输入输出面的锥形减反结构，其中a为锥形结构的边长，θ为锥形的顶角。当入射太赫兹波的波长远大于锥形的特征尺寸的时候，整个锥形层相当于一个体硅结构。其等效折射率n_eff将逐渐变化，由锥顶的1（全部为空气）逐步增加到锥底的3.42（全部为硅）。根据菲涅尔反射率公式，折射率渐变结构的反射率将远小于折射率突变的结构，因此该减反结构能有效减少输入输出端的反射（如不加减反结构，由于硅在太赫兹波段的折射率约为3.42，与空气界面的反射率高达30%），在优选参数的情况下，能减少至多87%的反射。锥形减反结构边长a为0.01-20μm，顶角θ为30-120度；优选情况下，锥形减反结构的边长a为0.01-1μm，顶角θ为50-70度。 

本发明的滤波器可以采用光刻+电化学腐蚀+碱制绒的加工工艺来实现：①光刻：先在硅片上面涂光刻胶，然后用光刻机进行曝光，用显影液清洗掉需要被腐蚀的地方的光刻胶；②电化学腐蚀：用氢氟酸加双氧水加甲醇的混合溶液，在外加电压的条件下进行电化学腐蚀加工形成所需要的栅形多孔硅结构，然后再清洗掉剩余的光刻胶；碱制绒：在滤波器的输入/输出端的硅面上采用KOH热溶液进行碱制绒工艺处理，在端面上形成所需要的锥形减反结构。