新型光子晶体THz滤波器

引言

随着太赫兹通信技术的不断发展，各种性能优良的太赫兹通信器件成为了人们迫切的需求。THz滤波器是通信系统中的基本器件，滤波器能够选择滤出携带特定信息的波，另外也可以降低系统中的噪声干扰从而提高了整个系统的性能。光子晶体是一种新型的材料，利用其对光具有非常好的处理能力，研究人员设计出许多性能很好的太赫兹通信器件。光子晶体太赫兹滤波器的设计主要分为两类：一维光子晶体滤波器和二维光子晶体滤波器。本文是利用正方晶格二维光子晶体设计出了一种新型THz滤波器。目前大部分THz滤波器是利用在二维光子晶体中弓|入线缺陷和单个点缺陷形成的谐振腔来实现THz波的耦合滤波。但是单个点缺陷只能出现单个缺陷模，不利于多波长的同时处理。为了设计出多个缺陷模的谐振腔，本文设计了在二维光子晶体的线缺陷中中引入三个点缺陷按照一定规律构成的谐振腔，这种滤波器结构简单，而且可以实现双波长的滤波功能。仿真结果表明该新型滤波器能够同时实现双波长滤波，结构简单易于集成并且耦合下载效率高，在未来太赫兹通信系统中将有重要的应用价值。

1新型THz濾波器的结构模型

本文中THz滤波器采用的是二维正方晶格光子晶体，圆形介质柱构成了光子晶体结构，介质柱材料为硅，折射率为3.4,背景材料为空气折射率为1，周期常数是30卩m,而硅介质柱半径是6卩m,具体的结构如图1所示。

本文利用Rsoft软件中的BandSolve功能模块计算仿真了完整晶格结构的光子晶体带隙，图2所示是正方晶格S1介质柱光子晶体带隙的结构图。

从图2(a)、(b)中可看出，由硅介质柱和空气背景组成的正方晶格的带隙结构，在正方晶格产生的禁带中都是TE模,而相对而言，是不存在TM模的。在图2(a)中，两块阴影部分就是光子晶体的禁带，进而可得到两部分的归一化频率(a/A)范围分别是0.28688〜0.42027和0.71993〜0.74734，计算可得禁带宽度分别为0.13339和0.02741，最终可得波长范围是71.3826〜104.5733呻和40.1423〜41.6707呻,对应频率是2.8688〜4.2027THz和7.1993〜7.4734THz。本文所设计的THz滤波器的滤波波长在第一个禁带波长范围中。

新型太赫兹滤波器的具体结构设计思想是：滤波器的波导是由沿着Z轴方向去掉完整晶格中一排S1介质柱形成的线缺陷；耦合谐振腔是由三个点缺陷优化的组合构成，主波导中组合缺陷两边各有2个Si介质柱，这样的设计可以使组合点缺陷形成完整的谐振腔结构。由于组合点缺陷构成的谐振腔具有很强的光子局域能力，这样和缺陷模对应频率的THz波入射到滤波器中时首先是沿着线缺陷构成的波导传输，然后经过谐振腔耦合到另一端，而其他的频率的THz波将被阻隔在谐振腔处不能通过，这样滤波器实现把选择对应THz波耦合下载，具体结构如图3所示。

2濾波器的性能分析

2.1缺陷模特性分析

现考虑一束TE模(即电场方向Ey与2D平面垂直)太赫兹波从滤波器的组合点缺陷入射情况，三个点缺陷的半径分别是3.2um，13um，3.2um。根据FDTD算法进行仿真,可以得到此时组合点缺陷处的谐振频率波长为87.9um、93.1um，对应的频率分别是3.413THz和3.222THz，两个波长的透射峰值都很高，具体的缺陷模如图4所示。

2.2滤波器的场强分布

本文设计的新型滤波器可以实现波导过滤输出双波长的功能，所以为了进一步分析其性能，考虑三种情况下滤波器的工作状况：

第一种情况是在滤波器的输入端调节激光器，使其输出波长为非缺陷模对应的太赫兹波，这里代表性选择波长位于两个缺陷模中间的一"波长为90um的太赫兹波。这个波长的太赫兹波是不能经过组合缺陷谐振腔耦合输出的。

第二种情况是在滤波器的输入端调节激光器，使其输出波长为两个缺陷模中的波长为87.9um的太赫兹波。这个波长的太赫兹波是可以经过组合谐振腔耦合输出的。

第三种情况是在滤波器的输入端调节激光器，使其输出波长是两个缺陷模中另一个波长为93.1um的太赫兹波。这个波长的太赫兹波也是可以经过组合谐振腔耦合输出的。

根据图5可知，正方晶格光子晶体在引入一条线缺陷与三个点缺陷后，完全可以滤出两束不同的太赫兹波。这就克服了一般滤波器中单个点缺陷只能滤出单束太赫兹波的不便。

3结语

本文提出了一种正方晶格双波长THz滤波器的方案。通常单个点缺陷控制一束太赫兹波，而通过引入三个点缺陷优化组合之后具有可以同时控制两束太赫兹波的优势。同时，文中还分析了滤波器的几种工作情况下稳态场强分布，从而证明此滤波器是可以实现的，并且具有良好的性能，将在未来太赫兹通信系统中具有重要的应用价值，而本文的研究也可以为进一步设计太赫兹器件提供一些参考。

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