一种基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器

摘要

本发明属于太赫兹波科学技术领域，具体涉及一种基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器。基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器，由两种圆柱状金属波导，波导A和波导B，波导A和波导B都基于布拉格共振，波导A和波导的B二阶模的零点位置不同。本发明基于一种新型的滤波原理，无复杂的光学系统。THz波入射无方向要求，滤波器双向可用。高的带外抑制。通过参数设计可改变滤波器的中心频率。滤波器结构简单，易于加工。

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹波科学技术领域，具体涉及一种基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器。

背景技术

近年来，一系列新技术、新材料的发展，特别是超快激光技术的发展，使得太赫兹波(THz)技术在诸多应用领域引起人们的广泛关注。由于THz波具有透视性、瞬态性、宽带性(0.1THz～10THz)及低能性(其能量仅为4.1meV，是X射线的108分之一)等优良特性，使得THz波在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域有着十分广阔的应用前景。现在人们对THz波技术的研究主要致力于两个方向，一是性能优良的THz波辐射源，另一个是高效、低损耗被动器件的研究。THz波主器件的研究进展直接影响着THz波技术的应用。尤其在无线高速通信、生物传感、分子检测及精密测量等应用中，紧凑小巧的THz波器件对于系统集成至关重要。因此，对尺度在波长量级、紧凑小巧和易于集成的THz波功能型波导器件的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、低损耗的基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器。

本发明的目的是这样实现的：

基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器，由两种圆柱状金属波导，波导A和波导B，波导A和波导B都基于布拉格共振，波导A和波导的B二阶模的零点位置不同。

所述波导A和波导B的周期个数均为6，两种波导为周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环称为粗管，细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。

所述的波导管壁材料为低损耗金属。

所述的周期长度Λ满足

${(2{\mathrm{\pi f}}_r^{\left(p\right)}/c)}^2={(k_r^{\left(p\right)}/L/2)}^2+{(\beta +2n\pi /\Lambda )}^2$

色散曲线为：

$f_r^p=\frac{c}{2\pi }\sqrt{{\left(\frac{k_r^p}{R/2}\right)}^2+{(\beta +\frac{2n\pi }{\Lambda })}^2}$

其中，c为光速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，R是周期变截面波导的平均内径，Λ是波导的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3….。

所述的中心频率f＝1THz，布拉格波导A的平均半径R₁＝190.7μm，周期长度Λ₁＝182.1μm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，细管半径为171.63μm，粗管半径为209.77μm，布拉格波导B的平均半径R₂＝224.26μm，波导周期长度Λ₂＝155μm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，即细管半径为139.5μm，粗管半径为170.5μm，波导A及波导B皆有5个周期，THz波从两侧入射。

本发明的有益效果在于：

1、一种新型的滤波原理，无复杂的光学系统。

2、THz波入射无方向要求，滤波器双向可用。

3、高的带外抑制。

4、通过参数设计可改变滤波器的中心频率。

5、滤波器结构简单，易于加工。

附图说明

图1为波导结构图。

图2为布拉格波导A周期单元示意图。

图3为布拉格波导B周期单元示意图。

图4为两种布拉格波导色散曲线。

图5为滤波器的透射谱线。

图6为滤波器中心频率下的轴向场强分布。

具体实施方式

下面根据附图对本发明具体实施案例进行详细的描述。

本发明提供一种基于禁带相互作用的太赫兹滤波器，包括：布拉格波导(A)和布拉格波导(B)，两波导为圆柱状金属声波导，两波导一体成形，周期皆为6个。两种波导根据所设中心频率会产生频域禁带，将两波导相接，在波导的连接处发生强烈的局域共振，产生一个局域模式，能量在连接处积累导致连接处的能量远高于入口，积累的能量向出口传播，由于波导对THz的衰减，慢慢降到和入口处THz波强度相当的地步，从而实现了高透过率的滤波，这种新型的滤波圆形可以广泛用于THz波波导型器件的研究。本发明滤波频率可调，且具有宽带，高的带外抑制等优点，可广泛用于THz系统当中。

基于禁带相互作用的太赫兹波滤波器，是一种圆柱状金属波导。见说明书附图1，两种波导(AB两者连接在一起，形成一个复合波导。

两波导(AB)都基于布拉格共振，区别在于二阶模的零点位置不同。布拉格共振为相同模式之间的相互作用，见说明书附图4(a)，在阴影处发生一阶布拉格共振，二阶模的零点位于l(1,1)和l(1，-1)交点下方，说明书附图4(b)，在阴影处同样发生一阶布拉格共振，二阶模的零点与l(1,1)和l(1，-1)的交点重合。布拉格共振导致谱带断裂，产生频率禁带，禁带范围可调控，在本发明中，两种波导设计的中心频率相同。由于禁带间的相互作用，在连接处发生局域共振，表现为禁带中出现一个透射峰，产生一个沿半径分布的高阶模场。

见说明书附图1，两波导周期个数均为6。见说明书附图2和3为两种波导的周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环称为粗管，细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。

波导管壁材料为低损耗金属，比如银、铝或金。

这两个布拉格波导的平均半径和周期长度可变，通过改变周期大小和平均半径等参数可以改变滤波的中心频率。

图1中阴影部分为金属管壁。A，B皆为布拉格波导。

图2中Λ1为布拉格波导A的周期长度；R1为布拉格波导A的平均内径；ε为周期起伏参数，取ε＝0.1R。

图3中Λ2为布拉格波导B的周期长度；R2非布拉格波导B平均内径；ε为周期起伏参数，取ε＝0.1R。

如图4所示，两波导的中心频率皆为1THz，阴影处为禁带所在范围，可以看到，禁带范围相当。布拉格共振为相同横向模式之间的相互作用，即l(0,1)和l(1,±1)。两种波导区别在于二阶模的零点不同，见图4(a)(b)黑线，零点所在频率不同。

图5中透射峰位于0.9627THz。

图6可以看到，在波导连接处发生强烈的局域共振，能量在连接处积累，经过波导B的衰减，到达出口才具有很高的透射峰。

本发明提供了一种太赫兹波导型滤波器，见说明书附图1为波导组装图。整体结构由一布拉格波导(AB)组成，两波导是圆柱状金属波导，周期个数各为6个。见说明书附图2和3为两种布拉格波导的周期结构单元，每个周期起伏的变化是指管内壁由相邻凹凸环状的起伏结构构成，凸环称之为细管，凹环为粗管，每个周期的细管粗管长度相同为周期长度Λ的一半，周期起伏参数ε＝0.1R，细管内径为R-ε，粗管内径为R+ε，R为平均半径。两种波导布拉格共振的中心频率相同，不同点在于二阶模的零点位置不同，这导致两者平均半径及周期长度上的差异。

见说明书附图4(a)，阴影处发生一阶布拉格共振，见说明书附图4(b)，在阴影处同样发生一阶布拉格共振。首先设定滤波器的工作频率，根据色散曲线可以求得周期长度Λ；根据一阶模的零点可以求得平均半径R，这样可以得到布拉格波导和非布拉格波导的参数。

此种滤波方法基于布拉格禁带之间的相互作用，它们具有不同的共振机理。当工作频率小于二阶模的截止频率时，高阶模没有激发，在波导内只存在基模，设定这时一阶模的纵向波数为k,由于周期起伏结构的反射在入射一阶模相反方向上产生一个纵向波数为-k的一阶模。当这两个波数的绝对值的和等于波导的波数的时候就会发生布拉格共振，是一阶模之间的相互作用。布拉格共振会导致谱带分裂，形成频域禁带。

见说明书附图4(a)(b)为布拉格波导及非布拉格波导色散曲线。如图给出了周期波导中第一布里渊区内模式的色散曲线(点线)，实线为参考线l(p,n)，代表第n阶空间谐波的第p个模式。图4(a)，阴影区域表示布拉格禁带，为相同横向模式间的共振相互作用，使得频谱分裂，在1THz附近产生布拉格禁带；图4(b)阴影区域同样表示布拉格禁带，区别在于二阶模的零点与l(1,1)和l(1，-1)相交，是为三模共振点，同样在1THz附近产生非布拉格禁带。很显然，布拉格共振发生在参考线l(p,n)的交点处。当入射波频率靠近共振处时，由于在参考线交点处频带分裂产生禁带，相关频率范围内电磁波不能在波导中传播。总的来说，多模波导中不同横向模式色散曲线的重叠，会引发复杂的共振相互作用。根据色散曲线，我们可以通过控制具有周期结构波导的可调参数来改变这种通带-禁带的范围和位置，从而实现对其中传播模式的控制。

当两布拉格波导相连接时，在连接处会有局域模式产生，表现为在禁带中产生一个透射峰，以此达到滤波的效果。

如上所述基于布拉格共振的周期变截面起伏波导结构参数共振机理给出，色散曲线如下式：

$f_r^p=\frac{c}{2\pi }\sqrt{{\left(\frac{k_r^p}{R/2}\right)}^2+{(\beta +\frac{2n\pi }{\Lambda })}^2}$

其中，c为光速，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶Bessel函数的零点，R是周期变截面波导的平均内径，Λ是波导的周期长度，β是传播常数，n是Bragg共振的阶数，n的取值为0,1,2,3…。

如图4设定中心频率f＝1THz，此时根据色散曲线求得布拉格波导A的平均半径R₁＝190.7μm，周期长度Λ₁＝182.1μm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，即细管半径为171.63μm，粗管半径为209.77μm。此时布拉格波导B的平均半径R₂＝224.26μm，波导周期长度Λ₂＝155μm，波导周期起伏参数ε＝0.1R，即细管半径为139.5μm，粗管半径为170.5μm。如附图1，布拉格波导(A)及非布拉格波导(B)皆有5个周期。THz波从两侧皆可入射。

波导参数确定，图5为数值模拟的结果，在禁带中心出现一个透射峰，这样就可以实现滤波的功能。通过调整两个周期结构波导的尺寸可以调节所滤出的太赫兹的中心频率，达到可调谐的目的。

以上所述的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式、尺寸等都可以所变的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应该排除在本发明的保护范围内。