高效光子晶体太赫兹滤波器设计分析

高效光子晶体太赫兹滤波器设计分析

陈盈

福州大学物理与信息工程学院 福建 福州 350108

摘要：太赫兹属于前沿技术，应用要求比较高，将其和光子晶体技术渗透、融合，将会碰撞出较大的火花。本文将借助科学方法，合理剖析该晶体能带结构，并进行可视化模拟（在仿真工具辅助下），优化调整结构参数，从而升级滤波器品质，以供后者参考。

关键词：太赫兹；设计分析；滤波器；光子晶体

引言：为了满足应用需求，新型滤波器被提出，这是一种光子晶体技术融合太赫兹技术的完美体现，对传统滤波器性能进行了优化。新型滤波器包括两部分核心内容，除了波导部分外，还有频率选择部分。其中波导部分作用发挥要凭借缺陷利用实现；而频率选择部分功能体现则要凭借微腔实现。在具体应用中，平面波法可以科学、积极分析带隙结构，同时辅助时域有限差分法，重点围绕滤波器中的传输特性进行剖析。最终得出的结果表明：通过改变缺陷结构，并且适当增大半径（介质柱的）,能够确保滤波器高耦合效率达成，作用十分显著。

1核心技术介绍

1.1太赫兹技术

太赫兹(THz)这一术语在学术界影响较大，由Fleming提出，0.1-10THZ波段内电磁波，可以统称为太赫兹。由于这段电磁波较为特别，属于微波和红外波的中间地带，所以远红外波也是其名称。太赫兹波的高透性，使其掀起了研究热潮，成为了追捧对象。太赫兹的特性研究中，需要各样光学器件支撑，器件是操控太赫兹波的基本保障。

1.2光子晶体技术

“光子晶体”这个概念形成时间较早，主要是由不同介质在规律下周期排列形成，本质是人造晶体。通常情况下，落在禁带中的电磁波将会丧失被传播的资格，借此满足对光子控制的需求。除此之外，在光子品体中，通过成功引入缺陷，便能够从源头获得一个窄通带，进而发挥强大的滤波功能。现实工作中，由于光子品体较为特殊，对某范围内的电磁波可以产生阻止作用，凭借高反射率禁止其通过，基于此，将会形成性能相对稳定、优越的滤波器，从源头辅助系统增强其综合性能^[1]。单单从晶格尺寸角度分析，因为该物质物理尺寸小，整体的重量较轻，在制备过程中便于集成。

2太赫兹滤波器设计理论

通过实验证实，光子晶体性质特别，是由不同介电常量构成，这些带有常量的介质材料，会呈现出周期排列的秩序。研究发现，光子晶体中有缺陷引入后，原则上会微扰空间对称性，从而促使微腔形成。实际操作中，微腔将带有共振频率，从而在某个环境中，让光子晶体波导发挥作用，与微腔耦合^[2]。波导中频率较高，这一点不容忽视。再加上，微腔共振频率作用下，会不断累积光波能量，使其最终被吸纳到具有特殊功能的微腔里面，从而让光子晶体拥有明显的滤波特性。在现实应用中，太赫兹波辐射波长比较理想，且色散小、损耗低，基于这样的优势，可以制作多种性质优良的THz 器件，例如：光子晶体滤波器等。

最近几年，这方面研究不断深入，取得了较大突破。本文的光子晶 体滤波器，传输效率比较高，在应用期间，需要发挥平面波展开法的价值，同时运用时域有限差分法，在此基础上，深度剖析THz 波的传输特性。同时借助波导线缺陷呈现出的耦合特点，不断调整腔体介质柱半径，并确保介质柱的分布科学，借助多种耦合措施，发挥波长的 耦合作用，使其充分体现滤波的功能。在实践环节，为了获得理想效果，可以借助介质柱情况改变（特别是波导边缘的介质柱），提高波的传输效率。实践证明，该方法比较稳妥、可行，推广价值比较高，对滤波器性能升级帮助较大。另外，借助仿真，对结果进行验证。结果表明：高效滤波器结构新颖，性能优越，可以作为选频滤波器的首选。

3时域有限差分法应用

FDTD方法，最近几年迅速发展，得到了业界学者的认同。光子晶体的能带结构非常特别，想要进行精准计算，必须满足一定条件，使其控制在矢量波理论的体系中，然后结合麦克斯韦方程理论，最终得到波动方程。在FDTD方法应用期间，为了保证迭代收敛效果理想，得到稳定解。一般情况下，需要关注时间步长、空间步长，确保满足稳定条件。计算时间需要细致划分为T个时间步，在时间的演变中，场被不断地更新。现实中，当时间步足够长时，此时会让场趋于稳定。但是无论如何，周期性的结构模拟，并不能完全适应有限尺寸的结构。在这样的趋势中，当晶体周期性较弱时，需要采用特殊的边界条件。通过实践证实，FDTD方法优势突出，优点主要表现在一次运行阶段，每个时间步的场值，每进行一次变换，均可以获得频率响应（频率范围内的）。基于这样的前提，光子晶体结构的模拟以及合理的带隙结构分析，具有较大的优势。

4仿真结果与分析

选取了正确方法后，还需要对结果进行仿真分析。试验环节，选取单晶硅作为高折射率介质，图1为带有线缺陷、点缺陷的光子晶体结构。

图1 光子晶体结构（线缺陷和点缺陷）

从图1的结构中，可以看到缺陷相对突出。波导传播是由去掉一行介质柱的路径来实现的，在整个过程中，谐振腔比较微妙，是借助改变 半径（缺陷介质柱的）来有效实现的。基于上面的分析，可以对高效滤波器完成精准的逐步设计，具体操作如下：（1）了解点缺陷的情况，设置缺陷处的介质柱，使其拥有理想的半径，半径最好为 0. 25R，0.4R，然后经对比发现，半径为 0.25R时，效果最为理想，可以保证耦合效率达标，即 R′= 0.25R。需要强调的是，此时虽然耦合效果比较好，但并不能表明滤波性能是最好的，还需要进一步分析。（2）在步骤1基础上，科学、合理设置点缺陷，确保缺陷周围不同介质柱的状态理想，特别是介质柱半径要控制好，使其依次为 0.5R，1.5R， 2R。在此基础上，便可以得到点缺陷处对应的场强频率分布情况，具体分布如图2所示。

图2 场强频率分布情况

结论：综上所述，在设计原理应用中，完善光子晶体滤波器结构，并在时域有限差分法保障下进行仿真，掌握点缺陷排列结果，具有重要意义。通过介质柱的大小改变（特指介质柱半径大小），可以提高耦合效率。最终结果显示，该滤波器结构简单，性能优良，非常易于集成化，可以奠定太赫兹波段通信器件品质升级的基础。

参考文献：

[1]李天诚,陈鹤鸣.基于频率选择表面的太赫兹双通带滤波器研究[J].红外,2021,42(07):17-25+42.

[2]李育政. 基于二氧化钒超材料的太赫兹滤波器研究[D].云南师范大学,2021.

基金项目：福建省教育厅中青年教师基金“金属周期性结构超强透射中波导和SPP作用的理论及实验研究”，项目资助号JAT200005