光子晶體上單雙三頻點上的hz波分析模型

光子晶體上單雙三頻點上的hz波分析模型

1微波信號網(wǎng)絡的應用泰茲輻射通常指的是頻率為0.1.10hz（1噸/1012hz）范圍內(nèi)的輻射。THz輻射既處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū),又是電子學向光學的過渡區(qū)域。由于所處的特殊頻段使其具有極其優(yōu)越的特性和非常重要的學術研究價值及廣泛應用前景而獲得各國科技工作者的青睞。THz波是很好的寬帶信息載體,它比微波的帶寬和訊道數(shù)多得多,可以獲得10GB/s的無線傳輸速度,比目前的超寬帶技術快幾百倍甚至一千倍,而且與可見光和紅外線相比,它具有極高的方向性和極強的云霧穿透能力。因此THz波在通信方面的應用,如衛(wèi)星間通信、短程大氣通信、短程地面無線局域網(wǎng)通信等,一直受到高度重視。在載波通訊系統(tǒng)中,一個必須要考慮的問題之一就是針對特定頻率或者窄帶信號的上/下載處理。普通的上/下載元件在THz頻段很難有好的性能,但是恰當?shù)剡\用光子晶體將很好地解決該問題。SusumuNoda曾證明在一個既包含線缺陷波導又包含點缺陷微腔的光子帶隙結構中,其線缺陷附近的這個點缺陷微腔可以吸收和發(fā)射光子,而且這種諧振結構具有很高的Q值。他的研究結果可應用到非常緊湊的表面發(fā)射型頻率上/下載(或頻率監(jiān)測)設備,但該結構不能滿足2或3個頻點同時上/下載的要求,本文針對不同缺陷組成的諧振腔結構在THz頻段的上/下載特性進行研究,結果表明單缺陷、雙缺陷及由3個點缺陷組成的L形諧振腔結構可分別滿足單、雙頻點及三頻點上/下載的要求,從而進一步提高器件的工作效率。2模擬2.1相關系數(shù)的監(jiān)測點及振幅頻率為簡單起見,先研究單缺陷形成的上/下載濾波器的特性,該上/下載濾波器基于硅(Si)圓柱在空氣中排列組成的二維正方形結構設計的。晶格常數(shù)a選定為100μm,這是因為根據(jù)光子晶體尺寸周期結構縮放性,可以很容易估計到它的導光頻率為THz或者遠紅外頻段。另外基于由介質(zhì)柱在空氣中排列組成的二維光子晶體結構可以通過在兩塊平行的金屬板波導之間的縫隙插入相同結構的光子晶體實現(xiàn)。高阻高純本征硅在THz頻段具有低的吸收率,而且其折射率波動較小可認為是3.418,所以在仿真時選定其為介質(zhì)柱材料。根據(jù)由Si圓柱在空氣中排列組成的二維四邊形結構的光子禁帶隨半徑的變化,可知在半徑r=18μm其有相對較寬的TE禁帶,因此在這里選定介質(zhì)柱的半徑為18μm。圖1為典型的四邊形結構的光子帶隙結構示意圖。圖1中圓圈表示半徑為18μm的硅柱在空氣中形成的周期為100μm的二維光子晶體,M是對應點缺陷的監(jiān)測點。圖1中由線缺陷形成的直波導是通過將正方形二維光子晶體中去除一排介質(zhì)柱形成,直波導附近的點缺陷如圖1所示,其坐標分別為(300,0)、(300,100)、(400,0)、(300,-100)和(200,0)。相對坐標(300,0)而言,各點缺陷分別被稱為中、上、右、下和左點缺陷。波導的上/下載特性通過時域有限差分方法仿真,其邊界條件為4次理想匹配邊界,當輸入信號為時間卷積的高斯脈沖,經(jīng)傅里葉快速變換,可計算出監(jiān)測點M的幅頻特性,在圖1中相應的監(jiān)測點就是對應的點缺陷坐標。圖2表示的是光子晶體帶隙結構中不同點缺陷的上/下載特性。圖2顯示輸入脈沖經(jīng)過直波導傳輸后,都存在被耦合到點缺陷中的現(xiàn)象,這是因為點缺陷具有很強的局域態(tài),而且對應于特定的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。從圖2可以看到中心點缺陷的峰值位于1.149THz,值為0.2060;上點缺陷的峰值位于1.149THz,值為0.1906;右點缺陷的峰值位于1.14THz,值為0.0506;下點缺陷的峰值位于1.149THz,值為0.2174;左點缺陷的峰值位于1.155THz,值為0.7638。從圖2可以看到上、中、下3種點缺陷的諧振頻率一致,這是因為在線缺陷中傳播的信號使電磁場對稱于直波導平行分布,上、中、下3個點缺陷相對平行于線缺陷形成的直波導,所以從直波導中獲得差不多的能量,從而產(chǎn)生相同的諧振頻率。但是它們的幅度有差異,從0.1906增加到0.2174,幅度差異的原因很明顯,因為相對而言下缺陷更靠近波導輸入端,因而可以獲得相對更多的能量。從圖2還可以看到,當點缺陷的位置從左缺陷沿垂直于直波導的方向變化到右缺陷,諧振頻率從1.155THz降到1.14THz,幅度從0.7638降到0.050,這可以理解為越接近直波導,就可以獲得更多的能量,從而導致幅度和諧振頻率向上移動。從圖2還可以看到,在垂直于直波導傳播方向點缺陷的諧振頻率和幅度對位置比較敏感,相對而言平行于直波導的點缺陷的諧振頻率和幅度就不敏感。另外根據(jù)幅度可以判斷點缺陷諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q,左點缺陷Q值最大,右點缺陷Q值最小,這與點缺陷從直波導耦合的能量有關,即與點缺陷的位置有很大關系。從圖2可以看到,不同的點缺陷具有不同的局域態(tài),其組成的上/下載濾波器可以上/下載不同頻率和幅度的THz波,這可應用于單載波通信系統(tǒng)及單頻點頻率監(jiān)測系統(tǒng)中。2.2單點缺陷仿真模型現(xiàn)在討論由兩個點缺陷組成的雙點缺陷的上/下載特性。圖3為雙點缺陷在四邊形結構的光子帶隙結構示意圖。圖3中圓圈表示半徑為18μm的Si柱在空氣中形成的周期為100μm的二維光子晶體。圖3(a)為單點缺陷,圖3(b)～(e)分別為上、右、下和左雙點缺陷。M是對應監(jiān)測坐標均為(300,0)。為方便比較,將(300,0)處的點缺陷繼續(xù)放在圖3(a);圖3(b)由上和中點缺陷組成,將光子晶體中(300,0)和(300,100)處的介質(zhì)柱去除后形成,稱為上雙缺陷;圖3(c)由中和右點缺陷組成,將光子晶體中(300,0)和(400,0)處的介質(zhì)柱去除后形成,稱為右雙缺陷;圖3(d)由中和下點缺陷組成,將光子晶體中(300,0)和(300,-100)處的介質(zhì)柱去除后形成,稱為下雙缺陷;圖3(e)由中和左點缺陷組成,將光子晶體中(300,0)和(200,0)處的介質(zhì)柱去除后形成,稱為左雙缺陷。仿真的條件和方法與前面單缺陷上/下載濾波器的相同,為比較這些不同類型缺陷的上/下載特性,在它們的共同點缺陷坐標(300,0)處設置如圖所示監(jiān)測點M。圖4表示的是圖3所示的不同光子帶隙結構在(300,0)處的上/下載濾波特性。從圖4可知,單點缺陷的諧振峰位于1.149THz,值為0.2060;上雙缺陷的峰值位于1.047THz,值為0.2106,次峰值位于1.257THz,值為0.1093,峰間頻率間隔為0.21THz;右雙缺陷峰值位于1.038THz,值為0.1074,次峰值位于1.275THz,值為0.0663,峰間頻率間隔為0.237THz;下雙缺陷峰值位于1.041THz,值為0.2647,次峰值位于1.287THz,值為0.1045,峰間頻率間隔為0.246THz;左雙缺陷峰值位于1.065THz,值為0.3473,次峰值位于1.218THz,值為0.1740,峰間頻率間隔為0.153THz。從圖4可以看到單缺陷只有一個諧振峰,與之相反的是所有的雙缺陷結構都有兩個諧振峰。這是因為微腔諧振結構的變化,導致局域態(tài)和本征模式發(fā)生變化,從而諧振頻率隨結構變化而分裂。比較雙缺陷諧振的峰值和次峰值,可以發(fā)現(xiàn)左雙缺陷的峰值最大,右雙缺陷的峰值最小,原因在于左雙缺陷從直波導中耦合到較多的能量,而右雙缺陷耦合到相對較少的能量。從圖4可以看到,當兩個點缺陷組成的雙缺陷時,由于諧振腔的能級分裂,因而可以同時上/下載兩個頻率。這可應用于雙載波通信系統(tǒng)及雙頻點頻率監(jiān)測系統(tǒng)中。2.33缺陷組成的上/下載濾波特性圖5表示3個緊挨著的點缺陷可能組成的光子帶隙結構。圖5中圓圈表示半徑為18μm的Si柱在空氣中形成的周期為100μm的二維光子晶體。圖5(a)和(b)分別為3個點缺陷組成的垂直和平行于中間直波導的短直波導。圖5(c)～(f)分別為上左、上右、下左和下右4種L形缺陷。M是對應點缺陷的監(jiān)測坐標。圖5(a)是將光子晶體中(200,0)、(300,0)和(400,0)處的介質(zhì)柱去除后形成,圖5(b)是將光子晶體中(300,-100)、(300,0)和(300,100)處的介質(zhì)柱去除后形成。圖5(c)～(f)分別為上左、上右、下左和下右4種L形缺陷,圖5(c)是將光子晶體中(200,0)、(300,0)和(300,100)處的介質(zhì)柱去除后形成,圖5(d)是將光子晶體中(300,100)、(300,0)和(400,0)處的介質(zhì)柱去除后形成,圖5(e)是將光子晶體中(200,0)、(300,0)和(300,-100)處的介質(zhì)柱去除后形成,圖5(f)是將光子晶體中(300,-100)、(300,0)和(400,0)處的介質(zhì)柱去除后形成。信號從中間直波導輸入,通過在每個點缺陷設置監(jiān)測點來研究上/下載濾波特性,仿真方法和條件與前面單缺陷上/下載濾波器的相同。圖6表示的是由3個點缺陷組成的垂直于中間直波導的光子帶隙結構的上/下載濾波特性。從圖6可以看到,(300,0)處有兩個幅度差別不大的諧振點,分別是1.038THz處的0.1621和1.173THz處的0.0771;(200,0)處有幅度差別大的兩個諧振點,分別是0.987THz處的0.0990和1.137THz處的0.4479;(400,0)處也有幅度差別大的兩個諧振點,分別是1.137THz處的0.4242和1.284THz處的0.0717。從圖6還可以看到,垂直于中間直波導光子帶隙結構的兩個端點有幅度差別大的兩個諧振峰,直波導的中間位置有幅度差別不大的兩個諧振峰。圖7表示的是由3個點缺陷組成的平行于中間直波導的光子帶隙結構的上/下載濾波特性。從圖7可以看到,(300,0)處有兩個幅度差別不大的諧振點,分別是1.017THz的0.1811和1.347THz的0.0978,峰間頻率間隔0.33THz;(300,-100)處有兩個幅度差別較大的諧振點,分別是1.122THz的0.2541和1.347THz的0.0845。(300,100)處有兩個幅度差別不大的諧振點,分別是1.14THz的0.2314和1.299THz的0.0968;另外在1.023THz處存在一個幅度為0.1377的不明顯的諧振峰。從圖7還可以看到,平行于中間直波導光子帶隙結構的兩個端點有幅度差別大的兩個諧振峰,直波導的中間位置有幅度差別不大的兩個諧振峰。從圖6和7可以看到,不管是垂直還是平行于中間的直波導,由3個點缺陷組成的直波導光子帶隙結構的上/下載濾波特性都具有一個以上的諧振頻率。缺陷諧振腔結構的變化導致缺陷諧振腔局域態(tài)變化,并最終導致諧振模式和狀態(tài)發(fā)生改變。每個點缺陷監(jiān)測結果的不同可以解釋為其對應的本征模式不同,因而從中間傳輸信號的直波導中耦合到不同的模式。另外由3個點缺陷組成不同形式的垂直于或者平行于中間直波導的結構從中間直波導耦合到的能量也不一樣,從而導致在不同點缺陷諧振微腔中相同的坐標(300,0)具有不同的諧振值。從圖6和7可以看到一個共同點就是在由3個點缺陷組成的直的諧振微腔結構中,兩個端點的諧振峰值大于中間的諧振峰值,這個特點可以從參考文獻中得到解釋,諧振微腔可理解為被反射能量的墻所包圍,在端點位置有3面反射能量的墻,在中間位置只有兩面反射能量的墻,反射能量的墻越多,獲得的能量就越多,最終導致處于中間位置的點缺陷獲得較少的能量,其諧振峰值也相對較小。從圖2可以看到(200,0)處點缺陷的峰值大于(400,0)處點缺陷的峰值,相似的原因導致在3個點缺陷組成的垂直直波導結構中(200,0)的諧振峰值大于(400,0)處的峰值。3個點缺陷組成的平行直波導結構中(300,-100)和(300,100)處的諧振峰值差異也可作相似的解釋。圖8表示的是由3個點缺陷組成的上左L形光子帶隙結構的上/下載濾波特性,圖8可以看到,(300,0)處有3個幅度差別不大的諧振峰,分別是1.053THz處的0.1172、1.176THz處的0.0832和1.281THz處的0.0940;(200,0)處有兩個幅度差別較大的諧振點,分別是1.014THz處的0.1257和1.158THz處的0.4085;(300,100)處有兩個幅度差別較大的諧振點,分別是1.008THz處的0.0841和1.161THz處的0.4053。圖9表示的是由3個點缺陷組成的下左L形光子帶隙結構的上/下載濾波特性。從圖9可以看到,(300,0)處有3個幅度差別不大的諧振點,分別是1.035THz的0.1363、1.158THz的0.075和1.266THz的0.0866;(200,0)處有兩個幅度差別較大的諧振點,分別是1.161THz的0.3993和1.287THz的0.1003;(300,-100)處有兩個幅度差別較大的諧振點,分別是1.011THz的0.1560和1.161THz的0.4047。圖10表示的是由3個點缺陷組成的上右L形光子帶隙結構的上/下載濾波特性。從圖10可以看到,(300,0)處有兩個幅度差別不大的諧振點,分別是1.014THz的0.1026和1.326THz的0.0845;(400,0)處有一個主要的諧振峰位于1.059THz,其值為0.0966;(300,100)處有3個幅度差別不大的諧振點,分別是1.017THz的0.0883,1.161THz的0.1312和1.311THz的0.0806。圖11表示的是由3個點缺陷組成的下右L形光子帶隙結構的上/下載濾波特性。從圖11可以看到,(300,0)處有3個幅度差別不大的諧振點,分別是1.017THz的0.1302、1.155THz的0.0402和1.317THz的0.0809;(400,0)處有3個幅度差別不大的諧振點,分別是1.023THz的0.1196、1.164THz的0.1364和1.311THz的0.0749;(300,-100)處有3個幅度差別不大的諧振點,分別是1.014THz的0.0661、1.134THz的0.0927和1.338THz的0.0677。從圖8～11可以看到,由3個點缺陷組成的L形諧振腔結構中,3個點缺陷位置的諧振頻率、幅度和形狀等都有較大差別,但是它們有一個共同點