ОПТИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИЙ ФИЛЬТР
OPTICAL MULTILAYER BAND-PASS FILTER

Изобретение относится к оптической технике терагерцового диапазона и может быть использовано в устройствах связи и измерительной аппаратуре.
H
L
H
Известен оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр пятого порядка [Аналог: Н.А. Macleod. Thin-film optical filters. 4-th ed., Tucson: CRC Press, ©2010 Taylor and Francis Group, p.356-357, Figure 8.22]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, образующие зеркально-симметричную конструкцию. В фильтре все диэлектрические слои с высоким показателем преломления (n) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n) выполнены из второго материала. Пять диэлектрических слоев фильтра имеют толщину λ/2, где λ - длина волны в материале на центральной частоте полосы пропускания. Каждый из этих пяти слоев является резонатором фильтра. Они выполнены из материала с показателем преломления n. Остальные диэлектрические слои имеют толщину λ/4. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы фильтра друг от друга и от внешнего пространства. Каждое из двух наружных зеркал состоит из 6 слоев, а каждое из трех внутренних зеркал состоит из 13 слоев. Последнее обстоятельство означает, что все внутренние зеркала обеспечивают одинаковую связь для любой пары смежных резонаторов.
Одним из недостатков этого полосно-пропускающего фильтра пятого порядка является большое число слоев в его зеркалах, что не только усложняет его конструкцию, но и ухудшает его частотную характеристику в полосах заграждения, сильно сужая ширину последних. Вторым недостатком фильтра являются его низкие селективные свойства в полосе пропускания, выражающиеся в большой неравномерности затухания, достигающей 3 дБ.
H
L
H
L
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является трехрезонаторный полосно-пропускающий фильтр [Прототип: Гончаров Ф.Н., Лапшин Б.А., Петраков В.А., Политыкин Р.В., Шмидт А.А. Оптический многослойный фильтр. Патент РФ №2316029, 27.01.2008, МПК G02B 5/28]. Трехрезонаторный фильтр также содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все слои с высоким показателем преломления (n ) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют толщину L/2. Они являются резонаторами фильтра, центральный из которых выполнен из материала с показателем преломления n, а два других резонатора выполнены из материала с показателем преломления n Остальные диэлектрические слои имеют толщину λ/4. Они образуют четыре многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга (два внутренних зеркала) и от внешнего пространства (два наружных зеркала). Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, описывающими зависимость только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.
Основным недостатком этого трехрезонаторного полосно-пропускающего фильтра, как и предыдущего фильтра, является большое число диэлектрических слоев в зеркалах фильтра, приводящее к уширению паразитных полос пропускания и тем самым к сужению полос заграждения. В приведенном примере фильтра каждое наружное зеркало содержит 17 диэлектрических слоев, а каждое внутреннее зеркало содержит 34 диэлектрических слоя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение числа слоев в многослойных диэлектрических зеркалах полосно-пропускающего фильтра и за счет этого расширение его нижней и верхней полосы заграждения.
Технический результат для оптического многослойного полосно-пропускающего фильтра, содержащего чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, в котором все диэлектрические слои с низким показателем преломления выполнены из одного материала, часть диэлектрических слоев имеют толщину λ/2 и являются резонаторами фильтра, а остальные диэлектрические слои имеют толщину λ/4 и образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы фильтра друг от друга и от внешнего пространства, достигается тем, что все материалы диэлектрических слоев с высокими показателями преломления являются метаматериалами, представляющими собой диэлектрическую матрицу с металлическими наночастицами, оптимальное значение показателя преломления которых для каждого многослойного зеркала и каждого резонатора обеспечивается оптимальной относительной объемной концентрацией металлических наночастиц в диэлектрической матрице метаматериала.
H
H
Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что все материалы диэлектрических слоев с высокими показателями преломления n являются метаматериалами, представляющими собой диэлектрическую матрицу с металлическими наночастицами. Оптимальное значение показателя преломления n метаматериала в каждом многослойном зеркале и в каждом резонаторе, отвечающее требуемой амплитудно-частотной характеристике фильтра, обеспечивается оптимальной относительной объемной концентрацией с металлических наночастиц в диэлектрической матрице метаматериала. Оптимальная величина концентрации с возрастает как с уменьшением требуемой ширины полосы пропускания, так и с уменьшением выбранного числа слоев в зеркале. При этом концентрация с ограничена неравенством 0<с<1/3. На верхнем пределе этого неравенства метаматериал теряет диэлектрические свойства и превращается в проводник с большими омическими потерями.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей.
0
0
На фиг. 1 изображена конструкция фильтра 1 с центральной частотой полосы пропускания ƒ=1 ТГц и относительной шириной полосы пропускания Δƒ/ƒ=2%.
21
2
На фиг. 2 представлена частотная зависимость коэффициента прохождения |S|в широкой полосе частот для фильтра 1 и его прототипа.
21
11
2
2
На фиг. 3 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения |S| и коэффициента отражения |S| в узкой полосе частот для фильтра 1.
0
0
На фиг. 4 изображена конструкция фильтра 2 с центральной частотой полосы пропускания ƒ=1 ТГц и относительной шириной полосы пропускания Δƒ/ƒ=20%.
21
11
2
2
На фиг. 5 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения |S| и коэффициента отражения |S| для фильтра 2.
H
1,2
L
На фиг. 6 представлена зависимость показателя преломления n для метаматериала, используемого в фильтре 1 и фильтре 2, от величины относительной объемной концентрации c металлических наночастиц. Здесь же показано значение показателя преломления n для диэлектрической матрицы метаметериала.
HL
H1
H2
1
2
В табл. I приведены показатели преломления n для полистирола и n  и n для метаматериалов на его основе вместе с отвечающими им относительными объемными концентрациями c и c наночастиц серебра.
Примеры осуществления изобретения показывают два фильтра, фильтр 1 и фильтр 2, конструкции которых изображены на фиг. 1 и фиг. 4.
HL
H2
2
1
H1
1,2
H1,2
1,2
1,2
H1,2
1,2
Фильтр 1 содержит три резонатора (резонатор 1, резонатор 2 и резонатор 3), каждый из которых выполнен из полистирола полуволновой толщины с показателем преломления n=1612. Каждый такой резонатор отделен от соседнего резонатора внутренним трехслойным диэлектрическим зеркалом (зеркало 2 и зеркало 3), все слои которого имеют четвертьволновую толщину. Внутренний слой трехслойных зеркал выполнен из полистирола, а наружные слои этих зеркал выполнены из одного метаматериала с показателем преломления n. Этот метаматериал получен внедрением наночастиц серебра в диэлектрическую матрицу из полистирола. При этом относительная объемная концентрация наночастиц с в диэлектрической матрице отвечает определенной оптимальной величине показателя преломления, обеспечивающей требуемую амплитудно-частотную характеристику фильтра. Наружные зеркала (зеркало 1 и зеркало 4) имеют по одному четвертьволновому слою. Они также выполнены из метаматериала, полученного внедрением в полистирол наночастиц серебра, но уже с другой концентрацией с, отвечающей оптимальному показателю преломления n. В зависимости от требуемой ширины полосы пропускания, концентрации с и отвечающие им показатели преломления n могут изменяться в пределах 0<c<l/3, 1.612<n<30, согласно графику на фиг. 6. В частности, для амплитудно-частотной характеристики, изображенной на фиг. 2 и фиг. 3, конкретные оптимальные значения показателей преломления n и отвечающих им концентраций c приведены в Таблице I.
H1
H2
L
1,2
H1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Фильтр 2 также содержит три резонатора полуволновой толщины (резонатор 1, резонатор 2 и резонатор 3). Однако эти резонаторы выполнены из метаматериалов, полученных внедрением наночастиц серебра в диэлектрическую матрицу из полистирола. Метаматериал резонатора 1 и резонатора 3 имеет показатель преломления n, а метаматериал резонатора 2 имеет показатель преломления n. Наружные диэлектрические зеркала у фильтра отсутствуют. Два внутренних однослойных четвертьволновых зеркала (зеркало 1 и зеркало 2) располагаются между соседними резонаторами. Оба эти зеркала выполнены из полистирола с показателем преломления n. В зависимости от требуемой ширины полосы пропускания, концентрации c и отвечающие им показатели преломления n могут изменяться в пределах 0<c<l/3, 1.612<n<30. В частности, для амплитудно-частотной характеристики, изображенной на фиг. 5, конкретные оптимальные значения показателей преломления n и отвечающих им концентраций с приведены в Таблице I.
Достижение технического результата, а именно уменьшение числа четвертьволновых диэлектрических слоев в зеркалах оптического многослойного полосно-пропускающего фильтра подтверждают две представленные конструкции фильтров на фиг. 1 и фиг. 4, а также их расчетные амплитудно-частотные характеристики на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 5.
Эффект расширения нижней и верхней полосы заграждения, т.е. эффект сужения паразитных полос пропускания, при уменьшении числа четвертьволновых диэлектрических слоев в зеркалах многослойных полосно-пропускающих фильтрах, объясняется следующим. Совокупности четвертьволновых слоев в зеркалах образуют многослойные резонаторы, резонансные частоты которых находятся ниже полосы пропускания. В результате сужается низкочастотная полоса заграждения. Однако каждый слой многослойного зеркала имеет резонансные частоты полуволновых резонансов выше полосы пропускания, что приводит к сужению уже высокочастотной полосы заграждения. При этом, чем больше четвертьволновых слоев в зеркалах, тем уже становятся полосы заграждения в фильтре. А количество слоев в зеркалах определяется не только шириной полосы пропускания, но и контрастом показателей преломления. Чем контраст больше, тем меньше требуется слоев в зеркалах.
Приведенные примеры осуществления изобретения отличаются от известных конструкций фильтров тем, что в них в качестве материалов диэлектрических слоев с высоким показателем преломления используется метаматериалы, повышенные и регулируемые показатели преломления которых позволяют значительно уменьшить число диэлектрических слоев в зеркалах фильтра и тем самым расширить полосы заграждения фильтра.
Фильтр работает следующим образом. Чередующиеся четвертьволновые диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, образующие диэлектрические зеркала фильтра, можно рассматривать как фрагмент одномерного фотонного кристалла, который имеет периодические по частоте чередующиеся запрещенные зоны и зоны прозрачности для электромагнитных волн. Зоны прозрачности зеркал являются паразитными полосами пропускания фильтра. Диэлектрические слои полуволновых резонаторов фильтра, взаимодействующие между собой через диэлектрические зеркала, формируют в первой запрещенной зоне зеркал рабочую полосу пропускания фильтра. Полосы заграждения фильтра располагаются в запрещенной зоне зеркал между полосой пропускания и ближайшими паразитными полосами пропускания. Ширина полосы пропускания тем больше, чем больше связь резонаторов друг с другом. Величина же связи соседних резонаторов убывает как с увеличением числа слоев в разделяющем их зеркале, так и с увеличением контраста показателей преломления материалов зеркала. Требуемая величина показателя преломления метаматериала обеспечивается оптимальной величиной относительной объемной концентрации металлических наночастиц в диэлектрической матрице материала. Зависимость показателя преломления метаматериала от относительной объемной концентрации в нем металлических наночастиц может быть рассчитана по формуле, полученной в статье [Беляев Б.А., Тюрнев В.В. Журнал экспериментальной и теоретической физики, 2018, том 154, вып.4 (10), стр. 716]. График этой зависимости для метаматериала, используемого в приведенных примерах, показан на фиг. 6. Равномерность прохождения мощности в полосе пропускания фильтра обеспечивается оптимальными величинами коэффициентов связи соседних резонаторов друг с другом, а крайних резонаторов с внешним пространством.
Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является уменьшение числа диэлектрических слоев в зеркалах фильтра и увеличение ширины его полос заграждения.