[論文レビュー] A Terahertz Bandpass Filter Using a Capacitive Transition Circuit and a Spoof Surface Plasmon Polariton Waveguide

Mohsen Haghighat, Levi Smith|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2026

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 0

ひとこと要約

提案され実験的に検証された、CPSフィードと容量性遷移回路を統合した spoof surface plasmon polariton（SSPP）波guideを基礎とする1 THz帯のテラヘルツ帯通しフィルタで、0.3 THzの帯域を達成。

ABSTRACT

This paper presents a novel terahertz (THz) bandpass filter (BPF) based on a spoof surface plasmon polariton (SSPP) waveguide with a center frequency of 1 THz and a 3 dB bandwidth of 0.3 THz. The proposed BPF comprises cascaded high-pass and low-pass elements. The high-pass element is a capacitive gap in the SSPP transition circuit, and the low-pass element is the SSPP waveguide itself. We find that the measurement results, including cut-off frequencies, align well with the theoretical predictions and simulations. To the authors' knowledge, the proposed SSPP BPF is the first of its kind.

研究の動機と目的

• CPSフィードラインを単独導体SSPP波guideと組み合わせたTHz SSPPベースの帯域通しフィルタを動機づけ、実証する。
• カスケード高域通過（容量性ギャップ）と低域通過（SSPP）アプローチを用いて、約1 THz周辺で0.3 THzの帯域を定義する。
• 損失と分散を低減するため、薄いSiN膜上でTHz周波数での実験的検証を行う。

提案手法

• 高域通過要素がSSPP遷移回路の容量性ギャップ、低域通過要素がSSPP波guideであるカスケード型設計を用いる。
• SSPPユニットセルと遷移回路を固有モードシミュレーションで設計し、分散とバンドエッジ周波数を抽出する。
• 対称1D溝状SSPP構造の解析的分散関係式で上部カットオフ周波数をモデル化し、数値シミュレーションで検証する。
• 200 nm電導体厚さの1 µm SiN膜上にデバイスを作製し、THz発生/検出用のフォトコンダクティブスイッチを統合。
• PCSベースのTx/Rxを用いた修正THz時間領域分光法セットアップで、Sパラメータとスペクトル応答を測定してデバイスを特性評価する。

Figure 1 : Fabricated THz SSPP BPF on thin Si-N membrane with CPS feedlines and transition circuits for excitation and Tx/Rx PCS for THz generation and detection.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一導体SSPP波guideをCPSフィードラインと容量性遷移回路で統合して、THz帯域通過フィルタを実現できるか。
• RQ2 SSPPスタブ設計における幾何パラメータ（特にHn）が上部カットオフと全体の帯域性能にどう影響するか。
• RQ3 約1 THzで実験的にどのようなパスバンドと阻止帯外部リジェクションが得られるか。
• RQ4 THz周波数でのCPS-SSPP遷移における挿入損失、結合、帯域幅のトレードオフはどうなるか。

主な発見

• 1 THzの中心周波数で3 dB帯域幅が0.3 THz（0.87–1.17 THz）。
• 設計仮定と製造によってパスバンドの挿入損失は約1.5–5–7 dB程度になり、実測構造のパスバンドでは約1.5 dBとされるシミュレーション結果。
• 外帯域での阻止はストップバンド（下側および上側）で15–20 dBの測定ノイズと弱い信号レベルにより観測され、シミュレーションと概ね一致。
• 上部カットオフ周波数は主にSSPPユニットセルのスタブ高(Hn)で決まり、Hnが小さいほどカットオフ周波数が高くなる。
• 薄い1 µm SiN膜上で単一導体SSPPとCPSフィードラインを統合し、THz SSPPベースのフィルタリングを実現。
• 実験結果は概ねシミュレーションと一致し、MEMS風の薄膜におけるTHz SSPPベースの帯域通過フィルタの概念を裏付ける。

Figure 2 : Cross section of CPS feedlines on the thin Silicon Nitride membrane.