复式结构光子晶体可调谐振腔的太赫兹波调制器及调制方法

摘要

本发明是一种复式结构光子晶体可调谐振腔的太赫兹波调制器，尤其是一种可调谐缺陷模型光子晶体太赫兹波调制器。其中复式结构正方晶格硅光子晶体(1)由简单结构的圆形硅介质柱正方晶格光子晶体、正方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套而成，是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体。介质柱材料为硅，背景材料为空气；波导区(2)位于正方晶格复式结构光子晶体(1)的两端，由移去了正方晶格复式结构光子晶体的两排对称交替的圆、方形硅介质柱构成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成。点缺陷谐振腔(3)是由光控可调谐材料砷化镓构造圆形介质柱形成。

说明书

技术领域

本发明是一种太赫兹波调制器(复式光子晶体结构)，尤其是一种光控可调谐振腔型光子晶体太赫兹波调制器，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。

背景技术

在当今信息大爆炸的社会中，数据通信业务对带宽的需求日益增长，300GHz以下的无线频谱资源已经耗尽，而太赫兹波(100GHz～10THz)是频谱上的最后一段空白，将其应用于未来的无线通信领域，以解决高速率、超宽带无线接入问题是必然的趋势。太赫兹波调制器作为太赫兹波通信系统中关键的一环，引起了国内外学者的广泛研究。同时，可调谐光子晶体作为一种新兴材料，被广泛的用于制作光通信系统中的调制器、光开关、滤波器等各种功能器件。光子晶体技术和太赫兹波技术的相结合为设计出一种太赫兹波调制器提供了新的思路。

根据调制机理的不同，光子晶体太赫兹波调制器主要分为以下两类：光子带隙型和缺陷模型。其中光子带隙型太赫兹波调制器是利用光子带隙的改变来实现对太赫兹波的断、通调制；而缺陷模型太赫兹波调制器是利用光子晶体的缺陷模位移来实现对太赫兹波的断通调制。并且缺陷模型太赫兹波调制器比光子带隙型太赫兹波调制器的调制性能更好。

光控复式结构光子晶体可调谐振腔太赫兹波调制器具有以下优势：调制器的响应速度达纳秒量级，因此调制速率可高达GHz量级；调制器的插入损耗低；消光比可以达到很大；控制光的阈值功率可以大大降低，调制器的稳定性和可靠性可以很大程度上得到保证；体积非常小，易于集成电路。

缺陷模型光控可调谐振腔光子晶体太赫兹波调制器，是在光子晶体的点缺陷处引入光控材料砷化镓。控制光垂直X-Z平面入射在点缺陷处，随着控制光强的增大，砷化镓的的折射率虚部因稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用将发生快速变化，光子晶体中点缺陷谐振腔内的谐振模Q值将发生动态改变，以此控制谐振腔的起振，从而控制传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于可调谐振腔的复式光子晶体的太赫兹波调制器及调制方法，其采用光控的方法，具有很高的调制速率，且为缺陷模型，从而大大减小了调制器的插入损耗，消光比也得到了很大的改善。

技术方案：为了适应高速、超宽带太赫兹波通信系统的发展，使太赫兹波调制器具有调制速率高、低插损和高消光比的性能，我们提出了一种新型的基于复式结构光子晶体的可调谐振腔光控太赫兹波调制器，使其工作在太赫兹波段，具有实际的应用价值；目前大部分光子晶体太赫兹波调制器采用液晶等响应时间缓慢的可调谐材料，因此调制速率都很低，仅为10kHz左右，限制了其在高速太赫兹波通信系统中的应用；且调制器都采用带隙迁移型结构，其插入损耗或消光比等性能不理想。我们采用点、线缺陷组合结构，并在中心点缺陷处填充光控砷化镓材料，得以实现缺陷模型、基于可调谐振腔的复式结构光子晶体的太赫兹波调制器，调制器的调制速率高达2.5GHz，消光比达42dB，插入损耗低达0.2dB，调制性能良好。

本发明的基于可调谐振腔的复式结构光子晶体太赫兹波调制器，包括正方晶格复式结构硅光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔；其中，正方晶格复式结构光子晶体是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，由简单结构的圆形硅介质柱正方晶格光子晶体、正方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套而成，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区，在复式结构光子晶体的中心处用光控可调谐材料砷化镓构造圆介质柱，形成点缺陷谐振腔，太赫兹波从波导区的下端输入，波导区的上端输出；控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔上。

信号光是太赫兹波，太赫兹波从波导区下端输入，波导区上端输出，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔上。

本发明的可调谐振腔复式结构光子晶体太赫兹波调制器的调制方法是：利用光子晶体点缺陷谐振腔的Q值可调特性，控制谐振模的变化和谐振腔的起振，进而实现对太赫兹波的通、断调制；通过改变控制光的大小，使光子晶体中心点缺陷处的光控可调谐材料砷化镓的折射率虚部因稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用发生快速变化，从而使点缺陷谐振腔的谐振模Q值发生改变，以此来控制谐振腔的起振，进而控制传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。

有益效果：本发明提出的一种基于复式结构光子晶体可调谐振腔的太赫兹波调制器，尤其是一种缺陷模型光子晶体太赫兹波调制器。此调制器在二维正方晶格复式结构、介质柱型硅光子晶体中，将线陷波导区和中心点缺陷可调谐振腔相结合，其中波导区提供了太赫兹波在光子晶体中的有效传输路径，由光控可调谐材料砷化镓构造的点缺陷谐振腔起着快速高效地谐振和选频作用。更重要的是，由于引入了光控可调谐材料，此太赫兹波调制器的调制速率很高，可达GHz量级，可以满足未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。

附图说明

图1为本发明光子晶体太赫兹波调制器的结构图，图中有：正方晶格复式结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3。太赫兹波从波导区2的下端输入，波导区2的上端输出。控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔3上。

图2为在无、有控制光情况下，点缺陷谐振腔处谐振模Q值的动态改变图。虚线为无控制光“通”状态下的谐振模，实线为有控制光“断”状态下谐振模消失的情况。

图3为本发明光子晶体太赫兹波调制器工作区的能量分布图。在无、有控制光的情况下输出端得到了不同的太赫兹波强度。图3a为“通”状态的示意图，图3b为“断”状态的示意图。

具体实施方式

该可调谐振腔复式结构光子晶体太赫兹波调制器包括正方晶格复式结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3；其中，正方晶格复式结构光子晶体1是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，由简单结构的圆形硅介质柱正方晶格光子晶体、正方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套而成。在其两端引入对称的线缺陷构成波导区2，在光子晶体1的中心采用光控可调谐材料砷化镓构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔3，太赫兹波从波导区2的下端输入，波导区2的上端输出；控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔3上。

波导区2是由移去了正方晶格复式结构光子晶体的两排对称交替的圆、方形硅介质柱构成的线缺陷组成，两线缺陷不相通，与谐振腔沿直线排列。

太赫兹波载频为4.53THz THz，控制光由太赫兹激光器提供或者由其倍频光提供。

本发明提供的基于复式结构光子晶体可调谐振腔的太赫兹波调制器由正方晶格复式结构光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔构成。其中正方晶格复式结构光子晶体是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，由简单结构的圆形硅介质柱正方晶格光子晶体、正方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套而成。介质柱材料为硅，背景材料为空气。波导区位于光子晶体的两端，由移去了正方晶格复式结构光子晶体的两排对称交替的圆、方形硅介质柱构成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成。通过采用光控可调谐材料砷化镓构造圆形介质柱，形成点缺陷谐振腔。太赫兹波从波导区的下端输入，波导区的上端输出。控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔上；太赫兹波载频为4.53THz，控制光可以由太赫兹激光器提供或者由其倍频光提供。

具体参数为：晶格常数a＝30μm，圆形介质柱半径r＝5μm，方形介质柱边长b＝9μm，硅介质柱折射率为3.4，背景材料空气的折射率为1点缺陷处采用光控砷化镓作为可调谐材料，其折射率实部为3.55，折射率虚部随控制光强的增加而增加，且其折射率实部基本保持不变。本调制器使用的控制光源波长为810nm，当其入射强度为0.4μJ/cm²时，砷化镓处于光子激发态，其折射率虚部约为2.55，实部不变仍为3.55。

此缺陷模型太赫兹波调制器的工作原理如下：中心可调谐振腔的谐振模对太赫兹波起选频作用，符合谐振频率的太赫兹波可在点缺陷处谐振。因此，当入射在中心点缺陷处的控制光强为零时，点缺陷处砷化镓的折射率为3.55，虚部为零，对应的谐振模频率为4.53THz(对应波长66.227μm)，此频率的太赫兹波可以通过调制器。当有控制光强时，由于砷化镓的稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用，其折射率虚部发生快速变化——随控制光强的增加而增加，对应的谐振模Q值逐渐下降。本调制器使用的控制光源波长为810nm，当其入射强度为0.4μJ/cm²时，砷化镓处于光子激发态，其折射率虚部约为2.55。此时谐振模发生了改变，如图2所示，谐振模几乎完全消失了，太赫兹波无法在谐振腔中起振，进而无法通过调制器。因此太赫兹波的强度可以随外加控制光强的变化而变化，实现了对太赫兹波强度的通、断调制。

调制过程如下：当一束频率为4.53THz的TE模太赫兹波从调制器的线缺陷波导区入射时：

(1)当施加在中心点缺陷处的控制光为零时，点缺陷处砷化镓的折射率实部为n＝3.55，虚部n’＝0，缺陷模频率为4.53THz(对应波长66.227μm)。如图3所示，4.53THz频率的太赫兹波可以通过调制器，处于“通”的状态，约有95.54％的能量通过了调制器，插入损耗为0.2dB。

(2)当施加在中心点缺陷处的控制光强为0.4μJ/cm²时，点缺陷处的砷化镓由于受稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用的影响，折射率虚部改变为n’＝2.55，谐振模消失。如图3所示，此时太赫兹波无法在中心点缺陷谐振腔内谐振，调制器处于“断”的状态，只有约0.004％的太赫兹波能量透过了调制器，消光比为42dB。