一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器

摘要

本发明公开一种基于硅基光子晶体结构太赫兹波可调窄带滤波器。包括滤波器金属壳体、均匀高阻硅片、环形垫片、弹簧片、驱动电机、导线、电机驱动控制器、平移台、空心推柱；滤波器金属壳体一端向内设有垂直折边；滤波器金属壳体内间隔放入多组均匀高阻硅片和环形垫片，然后放入弹簧片，再间隔放入与之前相同组数的高阻硅片和环形垫片；然后在滤波器金属壳体另一端套入空心推柱；空心推柱的外端固定与平移台上，再把平移台底座与金属壳体固定；平移台由驱动电机推动移位；电机驱动控制器通过导线控制驱动电机。本发明结构简单、成本低、滤波带宽极窄、损耗小、频率可调范围宽、调制速度快的高性能太赫兹波可调带通滤波器。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波技术及无线通信器件领域，尤其涉及一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器。

背景技术

太赫兹（THz）波在频段上衔接微波与红外光波段，其具有光子能量低、可以穿透性多数非极性分子材料、空间分辨率高，带宽大，因此，在检测、安全、成像以及通信方面具有很好的应用前景。虽然近年来，太赫兹波技术已获得了较大的发展，但由于太赫兹波频率相对于微波极高，常规的微波电子器件无法应用于太赫兹波段，而其相对光波波长过长，使光学领域中的大部分光学器件同样难以应用，而且大部分光学材料对太赫兹波的吸收过大。因此，太赫兹波领域目前缺乏如调制器、滤波器、放大器等价格低廉的高性能器件。

目前实现太赫兹波可调滤波器的方案主要有：多层介质膜光子晶体结构中引入铁电晶片、液晶等折射可变介质层，通过控制器件温度、电极电压来实现滤波频率可调，这类滤波器具有较窄的滤波带宽和较大范围的可调频率范围，但其结构材料对太赫兹波具有较大的吸收，并且实现调制的机构复杂，调制困难；另一种是利用通过光控、电控或温控改变metamaterial结构的共振特性实现可调滤波器，但这类滤波器往往构成的是带阻滤波器，而不是更常用的带通滤波器，器件制备工艺要求苛刻且器件对太赫兹波具有较大的吸收。高阻硅和干燥空气对太赫兹波的吸收极小，我们提出了在高阻硅片和空气层构成的一维光子晶体结构中引入弹簧片构成的空气缺陷层，通过精密微位移器控制缺陷厚度来实现调节方便的高性能可调窄带太赫兹滤波器。其滤波器Q值可达500以上，半高宽频带可低于500MHz，中心频率可调范围达几十GHz至几百GHz。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、制备容易、性能优异的低成本高性能实用的基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器。

基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器包括滤波器金属壳体、均匀高阻硅片、环形垫片、弹簧片、驱动电机、导线、电机驱动控制器、平移台、空心推柱；滤波器金属壳体一端向内设有垂直折边；滤波器金属壳体内间隔放入多组均匀高阻硅片和环形垫片，然后放入弹簧片，再间隔放入与之前相同组数的高阻硅片和环形垫片；然后在滤波器金属壳体另一端套入空心推柱；空心推柱的外端固定与平移台上，再把平移台底座与金属壳体固定；平移台由驱动电机推动移位；电机驱动控制器通过导线控制驱动电机。

所述各片高阻硅片与环形垫片其各自的厚度分别相同。所述弹簧片两边的分别放置3-5组高阻硅片和环形垫片，单组高阻硅片与环形垫片总共长度在0.20mm~2.0mm范围之间。所述的弹簧片可调范围为0.300mm~1.500mm。所述窄带滤波器其工作频率范围在100GHz~10THz。

本发明的一维光子晶体结构可利用商业可购得的多组普通高阻硅片和环形垫片制备而成，其成本低、制备容易、吸收损耗小；通过选择合适空气层与硅片厚度的比例，可以工作频率很大的调节范围；由于只利用弹簧片结构来购成空气缺陷，并用空心推柱、平移台、驱动电机等简单机电部件来精确控制缺陷层厚度，使滤波器成本低，并且在较大频率范围内实现精密快速的可调。

附图说明

  图1是基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器的结构示意图；

图2是基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器实施例1不同缺陷厚度时的透过谱图；

图3是基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器实施例2滤波中心频率与空气缺陷厚度关系图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于硅基光子晶体结构的太赫兹波可调窄带滤波器包括滤波器金属壳体1、均匀高阻硅片2、环形垫片3、弹簧片4、电控微位移器5；滤波器金属壳体1一端向内设有垂直折边，；滤波器金属壳体1内间隔放入多组均匀高阻硅片2和环形垫片3，然后放入弹簧片4，再间隔放入与之前相同组数的高阻硅片2和环形垫片3；再在滤波器金属壳体1另一端套入空心推柱9，并把空心推柱9的外端固定于平移台8；平移台8底座与金属壳体1固定，平移台8由与电机驱动控制器7通过导线6连接的驱动电机5驱动移位。

所述均匀高阻硅片2环形垫片3的厚度相同。所述弹簧片4两边的分别放置3-5组高阻硅片2和环形垫片3。所述的弹簧片4可调范围为0.300mm~1.500mm。所述窄带滤波器其工作频率范围在100GHz~10THz。所述的驱动电机5为压电陶瓷电机、超声电机驱动或步进电机。

实施例1：参照图1示意图，选用500μm±10μm厚度的高阻硅片（电阻率大于1000欧/厘米）通过划片机划成2.2mm×2.2mm的方片；环形片利用0.6mm±0.2mm的铜片机械加工而成，内孔为1.9mm×1.9mm；弹簧片是把弹簧钢片加工成内孔为1.9 mm×1.9mm，外尺寸2.2mm×2.2mm的环形片（未受力长度1.2mm，受力最小长度为0.6）。把6片方形高阻硅片与环形铜片及一片弹簧片交替放入金属壳体内（内尺寸2.3mm×2.3mm×20mm）构成一维光子晶体滤波器，放入铝方管推柱（2.2mm×2.2mm×40mm），推柱外端通过螺丝固定在由步进电机驱动平移台上，并把金属管与平移台底座固定；通过电机驱动控制器精确控制缺陷层的厚度，便获得可调窄带太赫兹波滤波器。该滤波器存在多个工作频带，主要工作频带为295GHz-330GHz，360GHz-405GHz，440GHz-465GHz，870GHz-915GHz等，在295GHz-330GHz工作频带内，实测最大Q值约为1550，滤波器中心频率透过率为0.4左右，可通过电机驱动控制器精确控制缺陷层的厚度，实现滤波中心频率的调节，如图2所示。图中透过率的次峰由于我们制备的环形铜片及弹簧环形片均匀度不够高造成的，选用误差小的金属片可抑止次峰。

实施例2：选用300μm±5μm厚度的高阻硅片（电阻率大于1000欧/厘米），通过刻蚀工艺加工出具有均匀方形槽（槽深约200μm），以方形槽为环形垫片3，底部留的硅为高阻硅片2(2.2mm×2.2mm)，形成高阻硅片与环形垫片复合结构硅片。用六片复合结构硅片和弹簧片组成可调谐滤波器，其主要工作频带为：200GHz-360GHz，520GHz-630GHz，1THz-1.2THz，1.85THz-2.02THz等，以200GHz-360Ghz频带为例，滤波器中心频率透过率大于0.75，滤波带宽约为300MHz，Q值约为960，图5为滤波中心频率与缺陷厚度的关系。