基于二維硅光子晶體的太赫茲波調(diào)制器

基于二維硅光子晶體的太赫茲波調(diào)制器

1可調(diào)諧光子晶體的太赫波調(diào)制器泰茲波（頻率為0.1.10噸/天）位于毫米波和曝光波之間的特殊位置。這是波前的一次空頻。與目前的無(wú)線(xiàn)通信相比,太赫茲波段占據(jù)了更豐富、寬闊的頻譜資源,使其在未來(lái)的寬帶無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域有著巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)全世界范圍內(nèi)掀起了一個(gè)研究太赫茲通信系統(tǒng)及器件的熱潮,而太赫茲調(diào)制器就是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前利用可調(diào)諧光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的通、斷調(diào)制成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于光子晶體存在光子禁帶和光子局域態(tài)的特性,對(duì)傳輸?shù)墓獠ㄓ泻軓?qiáng)的操控能力,尤其是可調(diào)諧光子晶體材料,能夠在外場(chǎng)激勵(lì)下(電、光、磁場(chǎng)以及溫度等),通過(guò)改變晶格參數(shù)或折射率來(lái)調(diào)節(jié)自身光子帶隙結(jié)構(gòu),控制光束的傳播,因而可被廣泛用于制作光開(kāi)關(guān)、光諧振腔、光調(diào)制器和光濾波器等光電集成器件。將可調(diào)光子晶體應(yīng)用于太赫茲波段,控制其光子帶隙發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移,可以設(shè)計(jì)出基于光子晶體的太赫茲波調(diào)制器。李九生等,M.Koch等利用這一原理,設(shè)計(jì)出了電控、溫控和磁控的帶隙遷移型太赫茲光子晶體調(diào)制器。然而,這些帶隙遷移型太赫茲調(diào)制器的帶隙邊緣都達(dá)不到很陡峭,因此調(diào)制深度或者插入損耗等性能指標(biāo)都不甚理想。本文提出和設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的基于液晶光子晶體的太赫茲波調(diào)制器。該調(diào)制器為缺陷模遷移型,采用點(diǎn)、線(xiàn)混合缺陷的光子晶體結(jié)構(gòu),在點(diǎn)缺陷處填充5CB液晶,當(dāng)對(duì)5CB液晶施加外加電場(chǎng)時(shí),液晶折射率發(fā)生改變,使光子晶體的缺陷態(tài)頻率發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的通、斷調(diào)制。2結(jié)構(gòu)模型和制約機(jī)制2.1高純硅結(jié)構(gòu)材料的缺陷設(shè)計(jì)的調(diào)制器采用二維三角晶格、空氣孔型硅光子晶體。晶格常數(shù)a=30μm,空氣孔為圓形,空氣孔半徑r=0.45a?；捉橘|(zhì)為高純硅,其在太赫茲波段的折射率為3.4,損耗忽略不計(jì)。首先在完整結(jié)構(gòu)的光子晶體中心空氣孔處填充5CB液晶材料,構(gòu)成點(diǎn)缺陷,并在其上、下兩端加上電極。然后在中心點(diǎn)缺陷的上、下兩側(cè)分別引入兩條線(xiàn)缺陷,并使點(diǎn)、線(xiàn)缺陷位于同一直線(xiàn)上。此調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.2太赫波在點(diǎn)缺陷處的振幅這種點(diǎn)、線(xiàn)缺陷組合結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于:線(xiàn)缺陷的引入,實(shí)質(zhì)是為太赫茲波的傳輸提供了波導(dǎo),使頻率范圍落在光子禁帶內(nèi)的太赫茲波能通過(guò)線(xiàn)缺陷;點(diǎn)缺陷的引入,實(shí)質(zhì)上起一個(gè)太赫茲波諧振腔的作用,它可以對(duì)太赫茲波選頻,使符合諧振頻率(即缺陷模)的太赫茲波在點(diǎn)缺陷處諧振。因此當(dāng)未外加電場(chǎng)信號(hào)時(shí),符合缺陷模頻率的太赫茲波入射到第一條線(xiàn)缺陷構(gòu)成的波導(dǎo)并耦合入點(diǎn)缺陷,在點(diǎn)缺陷處諧振、不斷積累能量,最終耦合至第二條線(xiàn)缺陷,輸出調(diào)制器。而當(dāng)外加電場(chǎng)超過(guò)閾值時(shí),點(diǎn)缺陷處5CB液晶的折射率發(fā)生改變,缺陷模就會(huì)發(fā)生遷移,此時(shí)符合原缺陷模頻率的太赫茲波就無(wú)法在點(diǎn)缺陷處諧振,從而無(wú)法通過(guò)調(diào)制器。3d-fmdd的制備利用二維時(shí)域有限差分法(2D-FDTD)來(lái)仿真計(jì)算所設(shè)計(jì)的太赫茲波調(diào)制器的性能。調(diào)制器所采用的光子晶體由21×21個(gè)元胞組成,晶格常數(shù)a=30μm,器件的尺寸為0.63mm×0.63mm,調(diào)制器四周設(shè)有完美匹配層(PML),取2D-FDTD的橫向、縱向空間步長(zhǎng)各為2μm,時(shí)間步長(zhǎng)t滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件,取c×t=1μm,c為真空中的光速。太赫茲波源設(shè)置為連續(xù)波,頻率為4.24THz,在調(diào)制器的出口處設(shè)置了監(jiān)視器。3.1太茲波調(diào)制器的線(xiàn)缺陷入射對(duì)這種缺陷模遷移型太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制過(guò)程進(jìn)行仿真分析。5CB液晶在24℃~35.3℃時(shí)為向列相,光學(xué)性質(zhì)與單軸晶體類(lèi)似,太赫茲波段的損耗很小可以忽略。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得25℃時(shí),其太赫茲波段(0.3~1.4THz)的正常折射率為1.59~1.83,反常折射率為1.74~2.04。仿真計(jì)算中取其正常折射率為1.67,反常折射率為1.77?，F(xiàn)考慮一束TE模(即電場(chǎng)方向Ey與2D平面垂直)太赫茲波從調(diào)制器的線(xiàn)缺陷入射的情況:當(dāng)施加在點(diǎn)缺陷上、下電極處的調(diào)制電壓為零時(shí),5CB液晶分子指向矢在二維平面內(nèi),此時(shí)對(duì)TE模來(lái)說(shuō),點(diǎn)缺陷處的液晶分子呈現(xiàn)正常折射率n=1.67。根據(jù)FDTD算法計(jì)算并利用RSOFT軟件仿真,可以得到此時(shí)點(diǎn)缺陷處的諧振頻率為4.24THz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)70.735μm),品質(zhì)因子Q達(dá)到1088,頻譜圖如圖2所示。當(dāng)施加在點(diǎn)缺陷上、下電極處的電壓不斷增加,液晶分子指向矢發(fā)生變化,當(dāng)電壓超過(guò)閾值時(shí)(閾值電場(chǎng)強(qiáng)度為2.2×104V/m,整個(gè)調(diào)制器厚度設(shè)計(jì)為30μm,從而計(jì)算得出閾值電壓約為0.66V),在電控雙折射效應(yīng)(ECB)的影響下,液晶分子的指向矢與外加電場(chǎng)方向完全平行(即垂直于2D平面),此時(shí)液晶分子呈現(xiàn)反常折射率,折射率為1.77。數(shù)值仿真得到此時(shí)點(diǎn)缺陷處的諧振頻率為4.17THz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)72.018μm),品質(zhì)因子Q達(dá)到911,頻譜圖如圖3所示。對(duì)比圖2,3可見(jiàn),隨著點(diǎn)缺陷處5CB液晶分子的折射率由1.67變?yōu)?.77,缺陷態(tài)頻率發(fā)生了動(dòng)態(tài)遷移,從4.24THz紅移到4.17THz。因此取入射調(diào)制器的太赫茲波頻率為4.24THz時(shí),只要控制外加電壓的有、無(wú),就可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的通、斷調(diào)制。調(diào)制器通、斷狀態(tài)時(shí)的頻譜透射率如圖4所示。3.2太茲調(diào)制器穩(wěn)態(tài)響應(yīng)然后對(duì)此調(diào)制器的穩(wěn)態(tài)模場(chǎng)能量仿真結(jié)果進(jìn)行分析,圖5為調(diào)制電壓為零時(shí),太赫茲調(diào)制器處于“通”狀態(tài)時(shí)的時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖。可見(jiàn)符合缺陷模頻率4.24THz的太赫茲波通過(guò)調(diào)制器時(shí)損耗很小,95.63%的能量通過(guò)了調(diào)制器,插入損耗僅為0.2dB。圖6為調(diào)制電壓高于閾值時(shí),太赫茲調(diào)制器處于“斷”狀態(tài)時(shí)的時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖。當(dāng)調(diào)制電壓高于閾值時(shí),5CB液晶折射率發(fā)生改變,點(diǎn)缺陷處缺陷模頻率遷移至4.17THz,因此頻率為4.24THz的太赫茲波無(wú)法在點(diǎn)缺陷處諧振,通過(guò)調(diào)制器的能量?jī)H為0.06%。由此計(jì)算出調(diào)制器的調(diào)制深度為32dB,且穩(wěn)態(tài)模場(chǎng)的建立時(shí)間很短,僅為0.4ns左右。圖7,8分別顯示了太赫茲調(diào)制器在調(diào)制電壓為零時(shí)(點(diǎn)缺陷處折射率為1.67),以及高于閾值時(shí)(點(diǎn)缺陷處折射率為1.77),對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)太赫茲波場(chǎng)強(qiáng)Ey分布圖。由仿真結(jié)果可知這種新型結(jié)構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的電調(diào)制,具有調(diào)制深度大,尺寸小,易于集成的優(yōu)點(diǎn)。4通、斷調(diào)制機(jī)構(gòu)提出了一種基于電控的可調(diào)諧液晶光子晶體的太赫茲波調(diào)制