1、太赫茲波段金屬光柵衍射濾波器課題研究報告光電工程學院B11030407 趙琳1、 研究背景現(xiàn)代無線電系統(tǒng)，包括廣播，電視，雷達，遙感，電子對抗，空間技術等的迅速發(fā)展，導致了三大結果。第一，它讓電磁資源變得緊張，分配到各系統(tǒng)的電磁波頻率越來越密集，這迫使我們研制出性能更高更可靠的器件;第二，由于通信系統(tǒng)的個人化發(fā)展，導致了電子器件向小尺寸、集成化方向發(fā)展;第三，由于頻譜資源的短缺，我們不得不向更高頻段開發(fā)電磁波，比如太赫茲頻段的開發(fā)。所以小尺寸的太赫茲濾波器的研究就應運而生了。2、 研究目標1、 了解什么是太赫茲、什么是濾波器2、 研究太赫茲射線的特點3、 研究太赫茲的應用4、 了解太赫茲濾波器

2、的研究現(xiàn)狀和進展5、 利用Rsoft進行器件仿真3、 研究過程1、 什么是太赫茲THz波（太赫茲波）或稱為THz射線（太赫茲射線）是從上個世紀80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學家們將統(tǒng)稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長大概在0.03到3mm范圍，介于微波與紅外之間。2、 什么是太赫茲間隙涉及太赫茲波段的研究結果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產生源和靈敏探測器的限制。3、 太赫茲射線的特點（1） THz 脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進行時間分辯的研究，而且通過取樣測量技術，能夠有效地抑制遠紅外背景噪聲的干擾。目前，脈沖THz 輻

3、射通常只有較低的THz 射線平均功率，但是由于THz 脈沖有很高的峰值功率，并且采用相干探測技術獲得的是THz 脈沖的實時功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在時域光譜系統(tǒng)中的信噪比可達105或更高。（2） THz 脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz 直至幾十THz 的范圍，許多生物大分子的振動和轉動能級，電介質、半導體材料、超導材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在THz 波段范圍。因此THz 時域光譜技術作為探測材料在THz 波段信息的一種有效的手段，非常適合于測量材料吸收光譜，可用于進行定性鑒別的工作。（3） THz 光子的能量低，只有幾毫電子伏特

4、，因此不容易破壞被檢測物質。（4） 許多的非金屬非極性材料對THz 射線的吸收較小，因此結合相應的技術，使得探測材料內部信息成為可能。極性物質對THz 電磁輻射的吸收比較強，特別是水，THz 光譜技術中應采取各種措施避免水分的影響。太赫茲成像技術與其他波段的成像技術相比，它所得到的探測圖像的分辨率和景深都有明顯的增加（超聲、紅外、X射線技術也能提高圖像分辨率，但是毫米波技術卻沒有明顯的提高）。（5） 另外太赫茲技術還有許多獨特的特性，如在非均勻的物質中有較少的散射，能夠探測和測量水汽含量等等。4、 太赫茲的應用太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像（無標

5、記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領域帶來了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。另外，由于生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等農業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應用前景。太赫茲的應用仍然在不斷的開發(fā)研究當中，其廣袤的科學前景為世界所公認。（1） THz時域光譜技術目前已經開始商業(yè)化運作，世界

6、范圍內已經有多家企業(yè)開始生產商用THz時域光譜儀，主要是美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈沖產生并探測時間分辨的THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由于大分子的振動和轉動能級大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學大分子是具有本身物性的物質集團，進而可以通過特征頻率對物質結構、物性進行分析和鑒定。一個比較重要的應用可以作為藥品質量監(jiān)管。設想一下制藥廠的流水線上安裝一臺THz時域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進行光譜測量，并與標準的藥物進行光譜對比，合格的將進入下一個環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質差異，保證藥

7、品的品質。（2） THz成像技術跟其他波段的成像技術一樣，THz成像技術也是利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進而成像。THz成像技術可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時域光譜技術的特點。同時它可以對物質集團進行功能成像，獲得物質內部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實物照片和相應方法重構的THz 透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開，同時不必照射x射線，對人體沒有附加傷害。（3） 安全檢查利用安全檢查應

8、該說是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術，它的本質原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題，所以單列出來。目前英國發(fā)展的THz安檢設備已經進入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。同時如果結合THz的物質鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學THz實驗室已經建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫，可以設想再過幾年，可以真正在機場見到真正的THz安檢的設備。另外，世界范圍內引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖

9、襲擊，也可以利用THz安檢設備進行防范。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進行檢查。（4） THz雷達實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線的優(yōu)勢所在。一個非常讓人向往的應用是穿墻雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過墻壁偵查到屋內的人員的分布和活動，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過T

10、Hz射線，而地雷將會把THz射線反射回來，從而可以發(fā)現(xiàn)目標。（5） 天文學在宇宙中，大量的物質在發(fā)出THz電磁波。 炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進行探測。而這些物質在應用THz技術以前一部分根本無法探測而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。（6） 通信技術THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當前的超寬帶技術快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無法在通信領域

11、商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決 。（7） 其他此外，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質研究等領域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅將推動理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學和電路技術也將提出重大挑戰(zhàn)。 目前，籠統(tǒng)的說THz技術的研究主要圍繞三大部分內容展開，THz產生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續(xù)可調的成本較低的THz發(fā)射源，另外也沒有能夠常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。太赫茲光譜技術不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的細微變化作出分析和鑒別，而且太赫茲光譜技術是一種非接觸測量技術，使它能夠對半導體、電介質薄膜及體材料的物理信息進行

12、快速準確的測量。鑒于THz射線的特點，必將給通信、雷達、天文、醫(yī)學成像、生物化學物品鑒定、材料學、安全檢查等領域帶來深遠的影響，進而改變人們的生產生活。4、 什么是濾波器當今社會是一個信息化時代，信號的處理是人們日常生活中不可避免的問題之一，濾波器作為信號處理的必需設備得到了廣泛的應用。濾波器，是一種用來消除干擾信號的器件，能將輸入或者輸出信號經過濾波后得到純凈的電流。而對特定頻段的頻點或者該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器電路。其功能就是得到一個特定頻率或者消除一個特定頻率。案例：最簡單的濾波器電路是LC諧振電路，一般由適當?shù)臑V波電容器，電感和電阻組合而成，如圖3.1就構成了最簡

13、單的LC濾波器。濾波器只對某一特定的頻率范圍內的微波呈現(xiàn)無衰減地通過，這個頻帶稱為通帶;反之，對這一頻率范圍之外的頻率呈現(xiàn)盡大可能地衰減，此通帶以外的頻帶稱為阻帶。5、濾波器的參數(shù)（1）帶內最大插損濾波器通帶內的插損越小說明濾波器的質量越好。（2）通帶寬度通帶寬度是指通帶的上限頻率和下限頻率之差。根據(jù)不同的應用要求，對濾波器的通帶寬度也有不同的要求，因此有窄帶濾波器，寬帶濾波器，超寬帶濾波器等等之分。（3）中心頻率中心頻率是通帶的上下限頻率的幾何平均值，由具體的應用頻段而定。（4）帶外衰減帶外衰減反應了濾波器對帶外信號的抑制能力，所以帶外衰減越大越好，越快越好。（5）寄生通帶由分布參數(shù)的傳輸線

14、段頻率響應的通帶周期性引起，使得在離開設計通帶一定距離處又產生了通帶(通常各中心頻率之間成整數(shù)倍關系)。由濾波器的評價參數(shù)可見，一個功能優(yōu)異的濾波器我們要使它既有很寬的帶寬，衰減也要大，并且其中心頻率也能自由調控。6、 太赫茲濾波器的研究現(xiàn)狀和進展（1） 基于光子晶體的太赫茲濾波器結構2004 年，法國H. N侑mec.等發(fā)明了一種基于一維光子晶體的可調太赫茲濾波器。其結構為兩個成對出現(xiàn)的一維周期性結構布拉格鏡面（布拉格鏡面由3 個直徑為15 mm 的石英晶片制成。三個石英晶片平行放置，相鄰晶片之間的距離是200 mm，通過硅材料將其相互隔開），在兩個布拉格反射鏡之間插入溫光材料KTaO3，從

15、而在一維光子晶體結構中引入缺陷，缺陷模式的存在使得原來結構形成的禁帶.中出現(xiàn)一個很窄的通帶，頻率落在窄通帶范圍內的光信號可以在上述結構中傳輸，實現(xiàn)了濾波功能。通過改變溫光材料的外部溫度來調節(jié)溫光材料的介電特性來調節(jié)濾波器結構的缺陷態(tài)，即調節(jié)窄通帶的中心波長，實現(xiàn)濾波器的可調諧性。2006 年，我國臺灣的研究人員Chao-yuan Chen 等提出了基于向列液晶材料的室溫太赫茲立奧濾波器。該濾波器可以利用磁場控制向列液晶的雙折射特性，從而控制二維金屬光子晶體中太赫茲的傳輸特性，實現(xiàn)可調立奧濾波器。2006 年，我國的Y. Zhang 等將在光通信領域廣泛應用的多模干涉原理應用于太赫茲波段，得出多

16、模干涉(MMI)理論以及自成像原理在太赫茲波段同樣適用，并利用多模干涉效應提出了基于光子晶體的太赫茲濾波器。在光子晶體結構中引入缺陷，是實現(xiàn)太赫茲濾波器的基礎，鑒于其對某些特定范圍的太赫茲波的高通過率和對其他頻率太赫茲波的高反射率，可以基于光子晶體結構實現(xiàn)性能優(yōu)越的太赫茲濾波器。（2） 基于光柵和表面等離子體等周期性結構的太赫茲濾波器近年來對 超穎材料、表面等離子體 以及 光柵 等周期性結構的研究發(fā)現(xiàn)，此類結構的一些特性可以用來實現(xiàn)太赫茲濾波器。特別是光柵，由于其成熟的加工技術，使得基于光柵的太赫茲濾波器加工制作相對容易。目前，研究人員已經提出了多種基于此類周期性結構的太赫茲濾波器結構。200

17、3 年， 德國Erlangen -Nuremberg大學Stephan Biber等使用高效率二元光柵作為頻率選擇器件，實現(xiàn)了中心頻率在300GHz，截止頻率為450 GHz 的帶通濾波器。這一濾波器是基于光柵理論來實現(xiàn)的，根據(jù)入射場角度ni、衍射光束的出射角度nd、衍射階數(shù)n，以及一維光柵周期p 之間的關系sinnd=sinni+nl/p，通過選擇ni和p 可以控制衍射場的階數(shù)和角度，對于帶通濾波器，選擇光柵參數(shù)使其只有0，-1 兩階衍射，防止能量轉移至高階諧波，從而實現(xiàn)帶通。結構中使用的矩形槽光柵可以通過常規(guī)的機械加工方法制備。通過嚴格的衍射理論控制光柵輸入損耗，使其效率最優(yōu)化，在300G

18、Hz 處的透射率可達99.5%。案例1：韓國首爾大學J.W.Lee 等，利用一種結構實現(xiàn)了中心頻率可調的太赫茲濾波器。這一結構是通過飛秒脈沖加工法在金屬薄膜上打上不同形狀的孔(正方形，圓形，長方形，C 形，e 形等)來實現(xiàn)的。下圖是濾波器結構的掃描電子顯微鏡(SEM)圖、加工過程以及其頻率傳輸特性。原理：在電介質表面鍍上一層金屬薄膜，則當電磁波入射到金屬和電介質交界面時，入射場沿介質表面?zhèn)鬏敚诒砻嫘纬蓮姳砻鎴觯瑥姳砻鎴鲆约斑h場散射使得這種結構的傳輸系數(shù)非常大。如果在金屬薄膜上打上周期性地孔、條或者周期性的放置一些金屬微顆粒，便可形成表面等離子體晶體、等離子體波導等。等離子體晶體、波導可以實現(xiàn)

19、對某一頻率范圍內的入射波具有非常高的傳輸系數(shù)，另外還可應用于形成負折射率材料、生物探測、超透鏡等。通過圖示的傳輸特性可知濾波器對某些特定的頻率可以實現(xiàn)99%的透過率。濾波器的中心頻率是由孔的形狀、幾何尺寸、對稱性和晶格常數(shù)來決定的。另外，改變場的入射角度和極化方向，也可以實現(xiàn)對透射頻率的控制。2003 年，加州大學的研究小組提出了一種太赫茲等離子體高通濾波器，該結構是基于一種新型的人工材料，這種人工材料由開口的環(huán)型諧振器與細長金屬導線陣列結合得到，可以通過設計使得特定頻率處的折射率、介電常數(shù)等參數(shù)為負，表現(xiàn)出不尋常的電磁特性，因而又被稱為超穎材料。高通濾波器常用于太赫茲成像領域，主要用來濾除溫

20、度輻射信號，提高成像質量。（3）基于量子阱結構的太赫茲濾波器2000 年3 月，I. H. Libon，P.Dawson 等提出了一種使用混合型量子阱結構實現(xiàn)的光可調濾波器。利用激光照射量子阱結構使結構中的電子和空穴結合產生光子，從而改變結構中光學激發(fā)的載流子的數(shù)量，由關系式（2）：可知改變載流子的濃度n 可以改變等離子頻率，因而量子阱結構的光學特性可以被入射的激光束控制，改變激光器的功率等參數(shù)便可以改變太赫茲波的透射譜，實現(xiàn)濾波器、衰減器、相位轉移器件等功能。國際和國內一些研究機構提出的太赫茲濾波器的實現(xiàn)方法和結構，主要涉及到的結構有布拉格鏡面、立奧濾波器、光學光柵、二維硅基光子晶體、超穎材

21、料以及量子阱等。其中布拉格鏡面、光柵以及量子阱結構已經廣泛的應用于實際的光學系統(tǒng)中，加工制作技術已經非常成熟，目前主要的加工方法包括傳統(tǒng)刻劃方法、飛秒激光加工、體硅刻蝕法、聚焦離子束刻蝕、表面硅微細加工技術等。與上述結構相比，超穎材料以及缺陷二維硅基光子晶體是新近出現(xiàn)的新型人工結構，結構復雜、晶格尺寸小，因而實際的制備過程相對困難，對加工工藝和加工環(huán)境要求比較高，雖然現(xiàn)在已經可以通過微加工技術制作類似的結構，如微鉛版印刷技術，但要想使其形成產品從而真正應用于實際還有待于納米加工技術、微機械加工等新技術的進一步發(fā)展。光子晶體在濾波器等器件中都有著廣泛的應用，在今后太赫茲研究中將占據(jù)重要的地位。目

22、前，實現(xiàn)太赫茲濾波器的光子晶體、超穎材料等都是比較復雜的人工結構，在實際的制作中比較困難，成本較高，制約了太赫茲波在實際中應用，因而如何提高此類結構的制作技術和制作工藝對太赫茲的研究也非常重要。相信隨著微機械加工技術和納米加工技術的不斷發(fā)展，超穎材料和二維光子晶體的加工技術也會日趨成熟。因而在以后的研究過程中，光子晶體和新涌現(xiàn)出來的新材料、新結構等將是太赫茲濾波器研究的重點。7、研究太赫茲的有關國內研究組及其主要研究內容（1）南京大學超導電子研究所高靈敏超導THz探測器高效率超導單光子探測器可調頻高功率超導THz輻射源簡便型（常溫和液氮溫區(qū)）THz探測器THz功能器件（特導材料）THz應用研究

23、（2） 北京理工大學毫米波太赫茲技術課題組正致力于太赫茲集成芯片與系統(tǒng)的開發(fā)與研制工作，主要應用于安檢成像領域。 （3） 首都師范大學“太赫茲波譜與成像”重點實驗室 太赫茲波譜研究太赫茲成像研究太赫茲與紅外無損檢測研究太赫茲與物質相互作用（4） 深圳大學太赫茲技術研究中心光子晶體太赫茲器件光子晶體光路集成其它光子晶體器件超物質（Metamaterial）及其應用新型太赫茲源太赫茲檢測太赫茲成像技術（5） 電子科技大學毫米波與太赫茲無線通信技術開發(fā) （6） 中國石油大學光傳感與光探測實驗室（a）光功能材料與器件實驗室（1.1）氧化物光信息功能材料（有機氣相沉積與熱處理；分子束外延與微結構；光電探

24、測）（1.2）太陽能材料與器件（b）太赫茲波譜與探測實驗室（2.1）石油化工產品太赫茲光譜分析（2.2）氧化物材料太赫茲波譜與表征（7） 中國科學院上海應用物理所高能物理研究所太赫茲光譜技術實驗室 （a）太赫茲成像技術及應用基于THZ-TDS發(fā)展了輪廓成像技術、化學混合物的定量分析等方法，并對反射式THz波層析進行了深入的模擬研究，這些結果陸續(xù)發(fā)表在Chinese Physics Letters、物理學報、Optics Communication等雜志上。(b)化合物太赫茲特征光譜的測量研究利用THz-TDS技術測定苯甲酸及其衍生物、咖啡酸、芥子酸等羥基肉桂酸衍生物的THz時域光譜，結合遠紅外、拉曼光譜等輔助技術以及量子化學計算獲得它們在100