雙面周期開槽型太赫茲濾波器分析

張璇峰，袁明輝

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

雙面周期開槽型太赫茲濾波器分析

張璇峰，袁明輝*

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

為了研究雙面周期開槽型太赫茲濾波器的傳輸性能，采用有限元法進行了理論仿真分析。由分析結果可知，其濾波性能隨濾波器結構參量變化出現規律性變化。透射峰位置隨著周期、縫寬和槽深的增加線性紅移，隨著槽寬的增加先藍移后紅移；透射率隨結構參量周期、縫寬、槽寬和槽深的增加都先增后降，出現超過0.95的極大值；3dB通頻帶寬度隨著縫寬和槽深的增加而增加，隨著槽寬和周期的增加變窄。結果表明，相對于常用的光學濾波器，該器件具有高選擇性、高中心透射率等特點。

信息光學；太赫茲濾波器；有限元法；表面等離子體激元；完美匹配層

引 言

太赫茲波是指頻率在0.1THz～10THz范圍的電磁波，波長大概在0.03mm～3mm范圍，介于微波與紅外之間。由于缺乏有效的太赫茲源和靈敏探測器，太赫茲波在很長一段時間內處于研究空白，因此被稱為太赫茲空白。但它在諸如生物學、國家安全、醫療成像、天體物理、空間探索等許多領域有著許多獨特優勢，隨著一系列新技術、新材料的發展，特別是超快技術的發展，使得穩定可靠的太赫茲源和探測器成為現實，因此太赫茲技術日益受到關注［1-2］。為提取所需要的頻率和濾除噪聲等，需要一種高選擇性、高中心透射率的太赫茲濾波器件。

自1998年EBBESEN等科學家發表了有關薄膜金屬光柵增強透射現象之后［3-5］，相關增強透射的研究引起各國科學家的重視。當電磁波入射至金屬表面時，與金屬表面的自由電子相互作用，被捕獲在金屬表面產生一種沿著金屬表面傳播的電荷密度波，并在垂直于金屬表面的方向上振幅將以指數形式衰減，被稱為表面等離子激元（surface plasmon polaritions，SPPs）。根據麥克斯韋方程和邊界條件可知，SPPs的色散曲線處在自由空間電磁波的右邊，在相同頻率下SPPs的波矢量比自由空間電磁波波矢量大，因此，在理想光滑金屬表面SPPs無法被激發而成為輻射［6-9］。但是如果在光滑金屬表面做一些周期性結構，SPPs的色散曲線將發生改變，從而讓原本束縛在金屬表面的SPPs可以通過耦合而輻射出去［6-9］。本文中基于有限元法（finite elementmethod，FEM）分析了雙面周期開槽的光柵型太赫茲濾波器結構參量與濾波性能之間的關系。

1 理論仿真及其分析

雙面周期開槽型太赫茲濾波器如圖1所示，在穿透薄鋁板細小狹縫兩側在兩面周期性對稱刻蝕一定深度的凹槽，利用凹槽的周期性結構實現入射波與SPPs匹配耦合，具有極低的傳輸損耗，同時利用光柵結構達到濾波的效果［6-9］。金屬相對介電常數ε會隨著入射電磁波波長的變化而變化，根據金屬自由電子氣Drude模型得出金屬鋁的相對介電常數

Fig.1 a—stereogram of THz filter b—profile of THz filter（periodicity p，groove width w，slitwidth d，groove depth s，thickness t）

1.1 周期p

圖2是濾波性能隨周期p的變化，在其它結構參量不變時，隨著周期p的增加，中心透射率先增后降，在p=500μm處達到最大值，中心透射峰位置線性紅移，而3dB通頻帶略有變窄。類似于準2維的光柵型濾波器，周期決定通頻帶中心位置，周期越大，中心頻率越低。

Fig.2 a—transmission spectrum b—center wavelength c—center transmissivity T of different periodicity p（geometrical parameters：w=p/2，d=100μm，s=70μm，t=300μm）

1.2 縫寬d

圖3是濾波性能隨縫寬d的變化，在其它結構參量不變時，隨著縫寬d的增加，中心透射率先增后降，在d=120μm處達到最大值，中心透射峰位置線性紅移，而3dB通頻帶變寬。3dB通頻帶逐漸變寬與衍射效應有關，d越大，衍射效應越強（即衍射波長范圍越寬），從而造成3dB通頻帶變寬。

1.3 槽寬w

圖4是濾波性能隨槽寬w的變化，在其它結構參量不變時，隨著槽寬w的增加，中心透射率先增后降，在w=250μm處達到最大值，中心透射峰位置先藍移后紅移，而3dB通頻帶變窄。w改變光柵周期的占空比，從而改變SPP的耦合效率，當w/p= 0.5時，達到最優的耦合效率，透射率達到最大值。

1.4 槽深s

圖5是濾波性能隨槽深s的變化，在其它結構參量不變時，隨著槽深s的增加，中心透射率先增后降，在s=50μm處達到最大值，中心透射峰位置線性紅移，而3dB通頻帶變寬。s參量改變了SPP的耦合效率，從而改變透射率，s達到某一值時，耦合效率最優，透射率達到最大值。

Fig.3 a—transmissionspectrum b—centerwavelength c—center transmissivityTofthedifferentslitwidthd（geometricalparameters：w=p/2，p=500μm，s=60μm，t=300μm）

Fig.4 a—transmissionspectrum b—centerwavelength c—center transmissivityTofthedifferentgroovewidthw（geometricalparameters：p=500μm，d=100μm，s=60μm，t=300μm）

Fig.5 a—transmissionspectrum b—centerwavelength c—centertransmissivityTofdifferentgroovedepths（geometricalparameters：w=p/2，p=400μm，d=100μm，t=300μm）

2 結 論

目前，太赫茲器件研究開發已成為國際上的研究熱點，而濾波器是其中至關重要的器件之一，本文中著重于太赫茲濾波器的研究開發，提出一種雙面周期開槽型太赫茲帶通濾波器并基于FEM對不同結構參量的濾波器進行仿真分析并優化，仿真計算結果表明，其濾波性能隨著結構參量變化出現規律性變化。透射峰位置隨著周期p、縫寬d和槽深s的增加線性紅移，隨著槽寬w的增加先藍移后紅移；透射率隨結構參量周期p、縫寬d、槽寬w、槽深s的增加都先增后降，有超過0.95的極大值；3dB通頻帶寬度隨著縫寬d和槽深s的增加而增加，隨著槽寬w和周期p的增加變窄。通過這些仿真可以設計出高性能的理想濾波器，并有助于發現THz波段亞波長金屬結構超透射的物理機理。這為優化設計一種高選擇性、高中心透射率的太赫茲濾波器件奠定了基礎。

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Analysis of terahertz wave through a slit w ith parallel grooves on both sides

ZHANG Xuan-feng，YUAN Ming-hui
（College of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Transmission characteristics of terahertz（THz）wave through a slitwith parallelgrooves on both sideswere analyzed numerically bymeans of the finite elementmethod（FEM）.Simulation results show that the transmissivity peak blue shifts firstly and then red shiftswith the increase of groove width，red shifts with the increase of periodicity，slitwidth and groove depth.With each geometrical parameters increasing，the transmissivity peak increases firstly and then decreases，which is up to 0.95.3dB bandwidth broadenswith the increase of slitwidth and groove depth，compresseswith the increase of slitwidth and periodicity.Compared with the conventional optical filter，the Thz filter possesses high selectivity and high center transmissivity.

information optics；terahertz filter；finite elementmethod；surface plasma polaritions；perfectly matched layer

TN713

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.026

1001-3806（2013）04-0533-04

上海市自然科學基金資助項目（11ZR1424900）

張璇峰（1988-），男，碩士研究生，主要從事THz技術方面的研究。

*通訊聯系人。E-mail：yuan.minghui＠163.com

2012-08-29；

2012-10-26