專利名稱：金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器的制作方法
金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲波可調(diào)諧濾波器及其控制方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12THz)波是指頻率在0. 1-lOTHz (對應(yīng)的波長為3mm 30 μ m)范圍的電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，太赫茲波具有透視性、安全性、高信噪比等許多優(yōu)越特性，在光譜、成像和通信等領(lǐng)域具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。太赫茲功能器件如濾波器、開關(guān)、分束器、起偏器、相位延遲器等是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中重要組成部分，其中太赫茲濾波器是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。濾波器可將需要的工作頻率從寬帶太赫茲信號中提取出來，而可調(diào)諧濾波器對濾波器的通帶位置進(jìn)行控制，進(jìn)一步實現(xiàn)對太赫茲波的可控傳輸。
目前，常見的太赫茲濾波器主要有(1)基于超材料(metamaterial)的太赫茲濾波器。這類濾波器雖然設(shè)計靈活，易于實現(xiàn)，但多為帶阻濾波，濾波譜線不理想，色散較大， 消光比低。( 基于一維介質(zhì)光子晶體的太赫茲濾波器，這類濾波器帶寬很窄，不適于現(xiàn)有的寬帶太赫茲系統(tǒng)。( 基于二維介質(zhì)光子晶體的太赫茲濾波器，它以硅或聚合物為基底材料制成柱或孔陣列，可以實現(xiàn)寬帶帶通濾波功能。此類濾波器中填充液晶等折射率可變材料，可以通過改變填充材料的折射率實現(xiàn)對濾波器的調(diào)諧。然而對傳統(tǒng)介質(zhì)光子晶體進(jìn)行填充后，由于填充材料與構(gòu)成光子晶體的基底材料的電介常數(shù)之差減小，導(dǎo)致調(diào)諧范圍十分有限，并且導(dǎo)致濾波器的通帶光譜帶寬減小，透過率下降[H.a!ang，S. J.Chang et. al, J. Opt. Soc. AmB,26(1) 101-106，2009]。
在現(xiàn)有材料中只有高阻硅、高密度聚乙烯、高電導(dǎo)率金屬(銅、鋁、銀等)對太赫茲的吸收損耗可以忽略不計。因此，如何利用這些有限的材料，設(shè)計出調(diào)諧范圍大，通帶帶寬和透過率穩(wěn)定的高性能太赫茲可調(diào)諧濾波器是太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。發(fā)明內(nèi)容
針對以上太赫茲濾波器的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種填充液晶的金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器及其控制方法。
金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器包括光子晶體金屬柱陣列、高密度聚乙烯盒、電極、 太赫茲源、液晶。光子晶體金屬柱陣列封裝于高密度聚乙烯盒中，盒中填充液晶。光子晶體金屬柱陣列使用的材料是銅、鋁、銀、金等高電導(dǎo)率金屬材料。其制作方法為由硅片或聚合物使用MEMS深度光刻工藝成型后利用鍍膜工藝在表面鍍上一層大于IOOnm厚的金屬膜形成金屬柱陣列，金屬柱高100 500 μ m，直徑40 100 μ m，相鄰柱間距為100 200 μ m。 在每列光子晶體金屬柱上方布置串連的引線，將奇數(shù)列于與偶數(shù)列分別并聯(lián)為正、負(fù)電極，工作電壓在0 5V之間連續(xù)可調(diào)。金屬柱陣列既作為光子晶體，其本身又是調(diào)諧濾波器的電極。液晶選擇5CB、E7等在太赫茲波段具有高雙折射低損耗向列相液晶，雙折射系數(shù)大于 0. 15。所使用的太赫茲源為太赫茲光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的寬帶太赫茲源，譜成分0. 1-3THZ。
金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器的工作方法是通過控制光子晶體金屬柱陣列上的電極電壓，改變填充在金屬柱周圍的液晶的指向角度，從而改變金屬光子晶體的能帶和帶隙位置來控制濾波器通帶位置的移動，實現(xiàn)調(diào)諧濾波的功能。當(dāng)電壓為零時，液晶沿柱軸向分布；當(dāng)電壓逐漸增大，液晶指向角度逐漸轉(zhuǎn)向垂直于柱軸向分布。這一過程中液晶在太赫茲波段的折射率逐漸減小，金屬光子晶體的能帶和帶隙位置由低頻向高頻移動，從而使濾波器的通帶向高頻移動，實現(xiàn)調(diào)諧濾波。
本發(fā)明的有益效果是(1)采用了金屬材料制作光子晶體。由于常見金屬在太赫茲波段的電介常數(shù)極大，可視為理想電導(dǎo)體，液晶的填充和其折射率的改變，僅改變金屬光子晶體的能帶位置，而不改變能帶寬度和光譜透過率，克服了硅、高密度聚乙烯等介質(zhì)光子晶體填充液晶后的通帶帶寬變窄、透過率下降的缺點，且較同等結(jié)構(gòu)參數(shù)的介質(zhì)光子晶體的調(diào)諧范圍提高了約一倍。(2)在金屬光子晶體柱陣列上方交替布置電極，使液晶指向分布角度能隨電壓連續(xù)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)濾波器的連續(xù)可調(diào)。相比于過去在兩側(cè)布置正負(fù)電極的液晶調(diào)諧器件，使用光子晶體金屬柱本身作為電極，減小了電極距離，從而提高了液晶分布的一致性，降低了工作電壓，提高了響應(yīng)時間。
本發(fā)明的優(yōu)點是該金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器傳輸帶寬大，連續(xù)可調(diào)諧范圍寬， 調(diào)諧過程中通帶帶寬和透過率穩(wěn)定，損耗小，消光比高，便于小型化和集成化，滿足太赫茲通信系統(tǒng)、光譜與成像系統(tǒng)的要求。


圖1 (a)是金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器的三維示意圖1 (b)是金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器的電極與液晶分布示意圖2是電極施加不同電壓時液晶指向角度的變化曲線；
圖3(a)是不施加電壓時金屬光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖3(b)是施加5V電壓時金屬光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)圖4是施加OV和5V電壓時，金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器的透射譜線；
圖5(a)是施加OV電壓時，頻率為1. 05THz的太赫茲波在金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器中的穩(wěn)態(tài)傳輸示意圖5(b)是施加5V電壓時，頻率為1. 05THz的太赫茲波在金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器中的穩(wěn)態(tài)傳輸示意圖。
圖中金屬光子晶體柱1、高密度聚乙烯盒2、正負(fù)電極3、太赫茲波源4、液晶5。
具體實施方式
本發(fā)明的工作過程由工作在ITHz附近的金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器實例說明
該金屬光子晶體柱直徑80 μ m，柱間距180 μ m,填充液晶E7，器件整體尺寸 5mmX3mm，高1mm。由光電導(dǎo)天線發(fā)出的0. 1 3THz的寬帶太赫茲信號入射到金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器中，如圖1(a)所示。當(dāng)電極電壓為0時，器件中液晶指向沿著金屬柱軸線排列，夾角θ為0度。此時，液晶在太赫茲波段的折射率為1.75，金屬光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，濾波器的透射譜如圖4所示，其在ITHz附近的通帶為0. 89 1. 03ΤΗζ。當(dāng)電極施加電壓時，如圖2所示器件中的液晶分子指向垂直于金屬柱軸線方向轉(zhuǎn)動。液晶的折射率可由以下公式得出"^ = ·^"^ + 1^，其中ne= 1.75, = 1.57，nz即為實際折nz ne n0射率。因此，隨著電壓增大，液晶折射率減小，金屬光子晶體的能帶向高頻移動，濾波器的通帶也向高頻位置移動。當(dāng)電壓達(dá)到5V時，液晶指向與金屬柱軸線夾角達(dá)到90度，如圖3(b) 和圖4所示，濾波器的通帶位置向高頻最終移動到0. 99-1. 14THz。值得注意的是，這一變化過程中，金屬光子晶體的能帶寬度保持不變，濾波器的透射譜的譜線形狀基本保持不變。如圖5所示，對1. 05THz波，OV電壓時太赫茲波不能通過濾波器，而5V時太赫茲波可以良好通過濾波器，顯示了器件良好的濾波器功能和高消光比。因此，此太赫茲可調(diào)諧濾波器可以實現(xiàn)中心頻率從0. 96到1. 07THz的連續(xù)調(diào)諧，其調(diào)諧范圍110GHz，遠(yuǎn)大于過去文獻(xiàn)報道的工作在ITHz附近硅光子晶體太赫茲濾波器的60GHz的調(diào)諧范圍。此外，其3dB通帶帶寬保持150GHz不變，通帶透過率始終保持在95%以上，消光比大于30dB，能有效控制太赫茲波的傳輸。
權(quán)利要求
1.一種金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器，其特征在于包括光子晶體金屬柱陣列 ⑴、高密度聚乙烯盒⑵、電極⑶、太赫茲源⑷、液晶(5)，其中，光子晶體金屬柱陣列⑴ 封裝于高密度聚乙烯盒( 中，盒中填充液晶(5)，光子晶體金屬柱陣列(1)上交替布置正、 負(fù)電極(幻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器，其特征在于光子晶體金屬柱陣列(1)使用的材料是銅、鋁、銀、金等高電導(dǎo)率金屬材料，其制作方法為由硅片或聚合物使用MEMS深度光刻工藝成型后利用鍍膜工藝在表面鍍上一層大于IOOnm厚的金屬膜形成金屬柱陣列，金屬柱高100 500 μ m,直徑40 100 μ m,相鄰柱間距為100 200 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器，其特征在于在每列光子晶體金屬柱(1)上方布置串連的引線，將奇數(shù)列于與偶數(shù)列分別并聯(lián)為正、負(fù)電極(3)，工作電壓在0 5V之間連續(xù)可調(diào)，金屬柱陣列既作為光子晶體，其本身又是調(diào)諧濾波器的電極，使正、負(fù)電極⑶間距不大于200 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器，其特征在于在高密度聚乙烯盒O)中填充的是在太赫茲波段具有高雙折射、低損耗的向列相液晶(5)，雙折射系數(shù)大于0. 15。
5.一種使用權(quán)利1所述的金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧方法，其特征在通過控制光子晶體金屬柱陣列上的電極電壓，改變填充在金屬柱周圍的液晶分子的指向角度，從而改變金屬光子晶體的能帶和帶隙位置來控制濾波器通帶位置的移動，實現(xiàn)調(diào)諧濾波的功能；當(dāng)電壓為零時，液晶沿柱軸向分布；當(dāng)電壓逐漸增大，液晶指向角度逐漸轉(zhuǎn)向垂直于柱軸向分布，這一過程中液晶在太赫茲波段的折射率逐漸減小，金屬光子晶體的能帶和帶隙位置由低頻向高頻移動，從而濾波器的通帶向高頻移動，實現(xiàn)調(diào)諧濾波功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬光子晶體太赫茲可調(diào)諧濾波器裝置及其控制方法。它將光子晶體金屬柱陣列封裝于高密度聚乙烯盒中，盒中填充液晶。通過控制電壓，改變填充在金屬柱周圍的液晶分子的指向角度，從而改變金屬光子晶體的能帶和帶隙位置以控制濾波器通帶位置的移動，實現(xiàn)調(diào)諧濾波的功能。由于采用了金屬材料制作光子晶體，克服了介質(zhì)光子晶體調(diào)諧過程中的通帶帶寬變窄、透過率下降的缺點，其調(diào)諧范圍大大提高。金屬柱本身作為電極的特殊結(jié)構(gòu)，減小了正負(fù)電極的距離，提高了液晶分布的一致性，降低了工作電壓，提高了響應(yīng)時間。本發(fā)明具有傳輸帶寬大，可調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧過程中通帶帶寬和透過率穩(wěn)定、損耗小、消光比高、便于小型化和集成化的優(yōu)點。
文檔編號G02F1/1333GK102508375SQ201110350708
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者常勝江, 范飛 申請人:南開大學(xué)