双面周期开槽型太赫兹滤波器分析

张璇峰，袁明辉

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）

双面周期开槽型太赫兹滤波器分析

张璇峰，袁明辉*

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）

为了研究双面周期开槽型太赫兹滤波器的传输性能，采用有限元法进行了理论仿真分析。由分析结果可知，其滤波性能随滤波器结构参量变化出现规律性变化。透射峰位置随着周期、缝宽和槽深的增加线性红移，随着槽宽的增加先蓝移后红移；透射率随结构参量周期、缝宽、槽宽和槽深的增加都先增后降，出现超过0.95的极大值；3dB通频带宽度随着缝宽和槽深的增加而增加，随着槽宽和周期的增加变窄。结果表明，相对于常用的光学滤波器，该器件具有高选择性、高中心透射率等特点。

信息光学；太赫兹滤波器；有限元法；表面等离子体激元；完美匹配层

引 言

太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz范围的电磁波，波长大概在0.03mm～3mm范围，介于微波与红外之间。由于缺乏有效的太赫兹源和灵敏探测器，太赫兹波在很长一段时间内处于研究空白，因此被称为太赫兹空白。但它在诸如生物学、国家安全、医疗成像、天体物理、空间探索等许多领域有着许多独特优势，随着一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得稳定可靠的太赫兹源和探测器成为现实，因此太赫兹技术日益受到关注［1-2］。为提取所需要的频率和滤除噪声等，需要一种高选择性、高中心透射率的太赫兹滤波器件。

自1998年EBBESEN等科学家发表了有关薄膜金属光栅增强透射现象之后［3-5］，相关增强透射的研究引起各国科学家的重视。当电磁波入射至金属表面时，与金属表面的自由电子相互作用，被捕获在金属表面产生一种沿着金属表面传播的电荷密度波，并在垂直于金属表面的方向上振幅将以指数形式衰减，被称为表面等离子激元（surface plasmon polaritions，SPPs）。根据麦克斯韦方程和边界条件可知，SPPs的色散曲线处在自由空间电磁波的右边，在相同频率下SPPs的波矢量比自由空间电磁波波矢量大，因此，在理想光滑金属表面SPPs无法被激发而成为辐射［6-9］。但是如果在光滑金属表面做一些周期性结构，SPPs的色散曲线将发生改变，从而让原本束缚在金属表面的SPPs可以通过耦合而辐射出去［6-9］。本文中基于有限元法（finite elementmethod，FEM）分析了双面周期开槽的光栅型太赫兹滤波器结构参量与滤波性能之间的关系。

1 理论仿真及其分析

双面周期开槽型太赫兹滤波器如图1所示，在穿透薄铝板细小狭缝两侧在两面周期性对称刻蚀一定深度的凹槽，利用凹槽的周期性结构实现入射波与SPPs匹配耦合，具有极低的传输损耗，同时利用光栅结构达到滤波的效果［6-9］。金属相对介电常数ε会随着入射电磁波波长的变化而变化，根据金属自由电子气Drude模型得出金属铝的相对介电常数

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

图2是滤波性能随周期p的变化，在其它结构参量不变时，随着周期p的增加，中心透射率先增后降，在p=500μm处达到最大值，中心透射峰位置线性红移，而3dB通频带略有变窄。类似于准2维的光栅型滤波器，周期决定通频带中心位置，周期越大，中心频率越低。

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 缝宽d

图3是滤波性能随缝宽d的变化，在其它结构参量不变时，随着缝宽d的增加，中心透射率先增后降，在d=120μm处达到最大值，中心透射峰位置线性红移，而3dB通频带变宽。3dB通频带逐渐变宽与衍射效应有关，d越大，衍射效应越强（即衍射波长范围越宽），从而造成3dB通频带变宽。

1.3 槽宽w

图4是滤波性能随槽宽w的变化，在其它结构参量不变时，随着槽宽w的增加，中心透射率先增后降，在w=250μm处达到最大值，中心透射峰位置先蓝移后红移，而3dB通频带变窄。w改变光栅周期的占空比，从而改变SPP的耦合效率，当w/p= 0.5时，达到最优的耦合效率，透射率达到最大值。

1.4 槽深s

图5是滤波性能随槽深s的变化，在其它结构参量不变时，随着槽深s的增加，中心透射率先增后降，在s=50μm处达到最大值，中心透射峰位置线性红移，而3dB通频带变宽。s参量改变了SPP的耦合效率，从而改变透射率，s达到某一值时，耦合效率最优，透射率达到最大值。

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 结 论

目前，太赫兹器件研究开发已成为国际上的研究热点，而滤波器是其中至关重要的器件之一，本文中着重于太赫兹滤波器的研究开发，提出一种双面周期开槽型太赫兹带通滤波器并基于FEM对不同结构参量的滤波器进行仿真分析并优化，仿真计算结果表明，其滤波性能随着结构参量变化出现规律性变化。透射峰位置随着周期p、缝宽d和槽深s的增加线性红移，随着槽宽w的增加先蓝移后红移；透射率随结构参量周期p、缝宽d、槽宽w、槽深s的增加都先增后降，有超过0.95的极大值；3dB通频带宽度随着缝宽d和槽深s的增加而增加，随着槽宽w和周期p的增加变窄。通过这些仿真可以设计出高性能的理想滤波器，并有助于发现THz波段亚波长金属结构超透射的物理机理。这为优化设计一种高选择性、高中心透射率的太赫兹滤波器件奠定了基础。

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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

上海市自然科学基金资助项目（11ZR1424900）

张璇峰（1988-），男，硕士研究生，主要从事THz技术方面的研究。

*通讯联系人。E-mail：yuan.minghui＠163.com

2012-08-29；

2012-10-26