二維復(fù)式晶格光控四波長太赫茲波調(diào)制器

引言

太赫茲(THz)波通常是指頻率在0.1~10THz的電磁波，具有頻率高、脈沖短、高空間相干性等特性。作為一類新型的光學(xué)材料，光子晶體引起了越來越多的注意。光子帶隙的存在使得光子晶體表現(xiàn)出許多重要的光學(xué)特性。太赫茲波調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)的重要部件，近年來,全世界范圍內(nèi)掀起了一個研究太赫茲通信系統(tǒng)及器件的熱潮[1-6]。目前大部分利用簡單晶格引入線缺陷與點(diǎn)缺陷來實(shí)現(xiàn)太赫茲波的通、斷調(diào)制，但簡單晶格的光子帶隙比較窄，選擇波長的范圍比較小。為了克服這一缺點(diǎn)，本文設(shè)計的復(fù)式晶格光子晶體調(diào)制器，不僅可以增大光子禁帶的帶寬，而且通過利用一個點(diǎn)缺陷控制兩個缺陷模的優(yōu)勢，已達(dá)到同時調(diào)制四個不同太赫茲波的目的。在點(diǎn)缺陷處填充砷化鎵(GaAs)材料，當(dāng)在點(diǎn)缺陷處加泵浦光時，GaAs的折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致缺陷態(tài)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對太赫茲調(diào)制器的通、斷調(diào)制。仿真表明：復(fù)式晶格中同樣的兩個點(diǎn)缺陷不僅可以同時調(diào)制四波長的條件下，而且響應(yīng)時間更短，調(diào)制深度更大，在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中將得到廣泛應(yīng)用。

1結(jié)構(gòu)模型和機(jī)理調(diào)制

1.1調(diào)制器結(jié)構(gòu)

本文中太赫茲波調(diào)制器采用的二維復(fù)式晶格Si介質(zhì)柱型光子晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

介質(zhì)柱材料為高純硅，折射率為3.4，背景材料為空氣，折射率為1。利用RSOFT軟件中的bandsolve模塊進(jìn)行帶隙仿真計算，并與簡單晶格的光子帶隙進(jìn)行比較。圖2所示是復(fù)式晶格與簡單晶格的帶隙比較圖。

在圖2所示的比較圖中，復(fù)式晶格的最大帶隙的歸一化(a/λ)范圍為0.37237~0.52927，寬度達(dá)0.15690，簡單晶格的最大帶隙歸一化(a/λ)范圍分別為0.31756~0.45808，帶寬為0.14052?？梢?，此種復(fù)式結(jié)構(gòu)的光子晶體帶隙增大了10%以上，且出現(xiàn)高階帶隙，具有光子帶隙大的優(yōu)點(diǎn)。沿Z軸方向，去掉復(fù)式晶格Si介質(zhì)柱型光子晶體的中心一排圓、方間隔的Si介質(zhì)柱，構(gòu)成一條線缺陷。在線缺陷的兩側(cè)使用GaAs構(gòu)造圓形、方形點(diǎn)缺陷諧振腔。其調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2調(diào)制機(jī)理

在本文中提出的光子晶體調(diào)制器中，缺陷處填充的摻雜半導(dǎo)體為n型GaAs。實(shí)驗(yàn)表明，隨著GaAs內(nèi)部載流子濃度從1015cm-3變化到1017cm-3時，其虛部逐漸增到到和實(shí)部相等，進(jìn)而超過實(shí)部。使用的泵浦光源(調(diào)制光源)波長為810nm，當(dāng)其入射強(qiáng)度為0.4μJ/cm2時，砷化鎵處于光子激發(fā)態(tài)，其折射率虛部約為2.55，響應(yīng)時間在皮秒量級，實(shí)部約為3.55。當(dāng)沒有泵浦光入射時，砷化鎵處于基態(tài)，其虛部為0，實(shí)部幾乎不變。

當(dāng)沒有泵浦光入射時，由于GaAs的折射率為N=3.55,此時符合缺陷模頻率的太赫茲波入射到線缺陷構(gòu)成的波導(dǎo)并耦合入點(diǎn)缺陷中，在點(diǎn)缺陷處諧振，不斷積累能量，最終入射光完全局域在點(diǎn)缺陷中，沒有光輸出調(diào)制器，調(diào)制器表現(xiàn)為關(guān)；當(dāng)在點(diǎn)缺陷處加上泵浦光源時，GaAs的折射率N=3.55+2.55i，此時缺陷模就會發(fā)生遷移，符合原缺陷模頻率的太赫茲波就無法在點(diǎn)缺陷中諧振，從而入射光幾乎通過線缺陷輸出，調(diào)制器表現(xiàn)為開。

2調(diào)制器的性能分析

2.1缺陷模特性仿真與分析

現(xiàn)考慮一束TE模(即電場方向Ey與2D平面垂直)太赫茲波從調(diào)制器的點(diǎn)缺陷入射情況，圓形點(diǎn)缺陷的半徑為11um,方形點(diǎn)缺陷邊長為18.9um。當(dāng)沒有泵浦光加在圓形點(diǎn)缺陷上時，根據(jù)FDTD算法進(jìn)行仿真，可以得到此時圓形點(diǎn)缺陷處的諧振頻率波長為60.677呻、63.795卩m,同理可得，此時方形點(diǎn)缺陷處的諧振頻率波長為59.759卩m、64.842卩m,其頻譜圖如圖4所示。

2.2調(diào)制器的穩(wěn)態(tài)場強(qiáng)分布分析

本文將考慮四種情況：

第一是在調(diào)制器結(jié)構(gòu)的圓形點(diǎn)缺陷上施加泵浦光，方形點(diǎn)缺陷上不施加泵浦光，使得60.677呻、63.795呻的光同時通過調(diào)制器，其穩(wěn)態(tài)太赫茲波的場強(qiáng)如圖5所示。

第二是當(dāng)圓形點(diǎn)缺陷上不施加泵浦光，方形點(diǎn)缺陷上施加泵浦光時，使得59.759卩m、64.842呻的光同時通過調(diào)制器,其穩(wěn)態(tài)太赫茲波的場強(qiáng)如圖6所示。

第三是當(dāng)圓形、方形點(diǎn)缺陷上均不施加泵浦光時，使得四個波長的太赫茲波均不能通過調(diào)制器，其穩(wěn)態(tài)太赫茲波的場強(qiáng)如圖7所示。

第四是當(dāng)圓形、方形點(diǎn)缺陷上均施加泵浦光時，使得四個波長的太赫茲波同時通過調(diào)制器，其情形如圖8所示。

由圖5、圖6、圖7和圖8可知，復(fù)式晶格光子晶體在引入一條線缺陷與兩個點(diǎn)缺陷后完全可以調(diào)制四束不同的太赫茲波。這就克服了簡單晶格兩個點(diǎn)缺陷只能調(diào)制兩束太赫茲波的不便。

3結(jié)語

本文提出了一種復(fù)式晶格四波長太赫茲波調(diào)制器的方案。通過對比簡單晶格一個點(diǎn)缺陷調(diào)制一束太赫茲波的原理，闡述了復(fù)式晶格中一個點(diǎn)缺陷同時調(diào)制兩個缺陷模的優(yōu)勢。同時,文章還分析了調(diào)制器四種情況的穩(wěn)態(tài)場強(qiáng)分布，從而證明此調(diào)制器是可以實(shí)現(xiàn)的，并在未來太赫茲通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。

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