基于双面金属包覆波导谐振腔的双通道太赫兹滤波器的研究

Terahertz wireless communication technology is actively developed for a variety of applications in security detector and military due to the advantages of broadband bandwidth, good confidentiality, lower photonic energy and no damage for humanbeing. Multi-channel terahertz filter plays the key role for the application of terahertz wavelength division multiplexing wireless communication. Previous multi-channel filter designs were based on high Q-factor cavities, such as photonic crystal, Bragg resonance structure and metal grating waveguide. However, these solutions are disadvantageous in cost and complexity of technology. To overcome these shortcomings, in this project we study a new double-channel narrowband terahertz filter based on our previous work about submillimeter metal parallel-plate waveguide. By inserting the defect (microcavity) in metal parallel-plate waveguide cavity system, the original resonance dip of metal parallel-plate waveguide cavity splits into two close resonance dips similar to Rabi-like splitting, achieving narrowband double-channel filtering effect in the terahertz range. Such double channel terahertz filter has the following advantages: (1) submillimeter metal parallel-plate waveguide is easy to realize single TE mode transmission, which can reduce the transmission loss effectively; (2) it shows high Q-factor property due to strongly electromagnetic field confinement, which can meet the requirement of Rabi splitting condition; (3) it can be tunable and be fabricated easily, has lower tolerance of processing error and cost.

由于具有带宽大、保密性好、光子能量小等优点，太赫兹无线通信技术在国家安全和军事等领域有着重要的应用。多通道滤波器是实现太赫兹波分复用无线通信技术的重要器件。目前，虽然有利用高Q值的谐振腔结构,如光子晶体波导、周期布拉格波导和金属光栅波导等实现多通道滤波的技术，但这些技术普遍存在制造工艺复杂和成本高的缺点。为了克服上述缺点，本项目拟在亚毫米尺度双面金属包覆波导研究的基础上，提出一种新型的双通道太赫兹滤波器。通过在谐振腔内部引入一缺陷结构(微腔)，使得原来的谐振吸收峰发生类Rabi效应的模式分裂，从而获得太赫兹频段窄带双通道滤波的效果。这种双通道太赫兹滤波器具有以下优点：(1)亚毫米尺度双面金属包覆波导易实现单横模传输，可有效降低传输损耗；(2)波导的强约束电磁场效应，表现出高Q 值特性，是实现Rabi 分裂的理想谐振腔结构；(3)易制造加工，对工艺的误差要求较小，便于调谐，成本低廉。

随着太赫兹技术的迅猛发展，大量有实用价值的应用例如：太赫兹通讯，医疗成像，等离子诊断等，被发掘以利用太赫兹波段的独特的性质。这些应用大多都需要高品质的多波长器件去提高信号质量和尽可能地压低噪声。但现存的各种实现方法如：超材料、量子阱、光子晶体等，都有着成本高、结构复杂、不易安装调试等诸多缺点。本项目以基于金属波导结构的新型太赫兹功能器件为研究主线，取得了如下成果：1，提出了一种在金属平板上刻槽的平行板波导，在两个自由度上得到了该器件不同参数的传输特性。结果表明该器件是可以调谐，可实现通道开关的高品质二通道带阻滤波器，同时，利用波导理论中模式分析的方法很好地解释了在实验中透射谷出现的漂移和消失；2，提出并实现一种基于硅光子晶体的高Q值三通道太赫兹带通滤波器。模式分裂和模式杂交理论被成功地用于解释三个透射峰的形成原因和传输特性； 3，对存在于金属孔阵列上由非对称入射产生的表面波的各种特性进行了基础性的研究。实验观察到谐振峰发生分裂的现象，这表明金属孔阵列中的入射波与表面波的波矢发生了强烈的耦合。这种耦合方式与超材料中的近场诱导耦合有显著的不同，揭示了：虽然金属孔阵列与超材料中的模式分裂有不同的机理，但都可以归因于宏观尺度下对称性的破坏。这些理论与实验成果对太赫兹器件的设计有重要且深远的意义。4，设计了一种新型通道数量可调谐的太赫兹滤波器，并揭示了如何激发高阶腔模的方法和机理。此外，在研究中我们还拓展了研究方向，在太赫兹波的变换光学调控以及宽频太赫兹波吸收器领域取得了一系列的成果。发表标注本项目资助的SCI收录论文22篇（影响因子大于3.0的11篇），包括：《Light Science & applications》 1 篇(IF:14.6)、《Scientific Reports》 2 篇、《Applied Physics Letters》 3篇、《Optics Express》 2 篇、《Optics Letters》 2 篇、《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》1 篇、《Plasmonics》 1 篇等，论文被引用164次，申请发明专利17项，授权6项，专利转让4项。