新型高速調(diào)制太赫茲波調(diào)制器理論研究

趙國(guó)中，陳鶴鳴

（南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

太赫茲（THz，Terahertz）波處于微波和紅外光波之間的電磁波，頻率位于0.1～10 THz。太赫茲波在無(wú)線(xiàn)傳輸速度上可以達(dá)到10 GB/s，比當(dāng)今使用的寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍，能夠解決對(duì)未來(lái)高速率無(wú)線(xiàn)通信的需求，因此太赫茲波調(diào)制器作為太赫茲波段無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的重要部件，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際價(jià)值[1]。

本文設(shè)計(jì)出一種基于復(fù)式三角晶格光子晶體聚苯胺填充材料的太赫茲波調(diào)制器。引入點(diǎn)、線(xiàn)缺陷，利用點(diǎn)缺陷處聚苯胺的光控特性實(shí)現(xiàn)點(diǎn)缺陷處的缺陷模的動(dòng)態(tài)遷移，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的通、斷調(diào)制。仿真結(jié)果表明該調(diào)制器與現(xiàn)有的太赫茲波調(diào)制器相比，具有響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)制速率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 調(diào)制器結(jié)構(gòu)和調(diào)制機(jī)理

1.1 調(diào)制器結(jié)構(gòu)

圖1為本文提出的復(fù)式三角晶格光子晶體太赫茲波調(diào)制器。晶格常數(shù)a=30 μm，由21×23個(gè)介質(zhì)柱組成。介質(zhì)柱為圓形高純硅，在太赫茲波段折射率為3.4，損耗可忽略。圓形介質(zhì)柱半徑r=5 μm，方形介質(zhì)柱邊長(zhǎng)為b=9 μm?；捉橘|(zhì)為空氣，其在太赫茲波段的折射率為1.0，點(diǎn)缺陷處填充聚苯胺材料，點(diǎn)缺陷尺寸為R=2.2 r。

如圖1所示，在完整復(fù)式三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)的中心引入一條線(xiàn)缺陷，線(xiàn)缺陷類(lèi)似于傳輸太赫茲波的波導(dǎo)。在線(xiàn)缺陷的旁邊引入一個(gè)點(diǎn)缺陷，主要用于對(duì)太赫茲波進(jìn)行選頻，使符合諧振頻率（即缺陷模）的太赫茲波被限制在點(diǎn)缺陷處。點(diǎn)缺陷中填充聚苯胺材料，其特性是外部未施加泵浦光時(shí)，聚苯胺的折射率實(shí)部為1.50；施加泵浦光激勵(lì)時(shí)，外加的調(diào)制激勵(lì)光源采用1064 nm 的YAG激光器，泵浦光強(qiáng)為30 GW/cm2，聚苯胺的折射率 n變?yōu)?.55[2-3]。這種特性能夠通過(guò)對(duì)點(diǎn)缺陷處的缺陷模的光控來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)缺陷處的太赫茲波的“通、斷”調(diào)制。

圖1 新型高速調(diào)制的太赫茲波調(diào)制器結(jié)構(gòu)模型

1.2 調(diào)制機(jī)理

圖2給出了該調(diào)制器的基本原理示意圖，實(shí)線(xiàn)表示的是光子帶隙和缺陷模頻率原位置，虛線(xiàn)表示的是調(diào)制后缺陷模頻率的位置。

圖2 新型高速調(diào)制的太赫茲波調(diào)制器原理

如圖2所示，對(duì)于點(diǎn)、線(xiàn)缺陷光子晶體，原本在帶隙中形成的點(diǎn)、線(xiàn)缺陷共振缺陷模，位于缺陷頻率處的信號(hào)光頻率原先可以通過(guò)調(diào)制器，即圖2中實(shí)線(xiàn)表示的“通”調(diào)制；圖2所示虛線(xiàn)為缺陷模遷移原理實(shí)現(xiàn)調(diào)制后的缺陷模位置，點(diǎn)、線(xiàn)缺陷的共振缺陷模頻率的位置隨外界激勵(lì)的改變而發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移，信號(hào)光頻率不再處于缺陷態(tài)處，因此信號(hào)光便不能通過(guò)調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)“斷”調(diào)制。

2 仿真結(jié)果分析

利用時(shí)域有限差分法（FDTD）仿真計(jì)算圖1所示的太赫茲波調(diào)制器的性能。調(diào)制器由21×23個(gè)硅介質(zhì)柱組成，厚度設(shè)計(jì)為5個(gè)晶格常數(shù)，晶格常數(shù) a=30 μm，尺寸為630μm×690μm×150μm，調(diào)制器四周設(shè)有完美匹配層（PML）。

2.1 太赫茲調(diào)制器的調(diào)制過(guò)程

當(dāng)點(diǎn)缺陷處無(wú)泵浦光時(shí)，聚苯胺的線(xiàn)性折射率為1.50，調(diào)制器處于“通”的狀態(tài)，利用 RSoft軟件中的FullWAVE模塊仿真可以得到點(diǎn)缺陷處的缺陷模頻率，如圖3所示（縱坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)為104）。

圖3 無(wú)泵浦光時(shí)的缺陷模

由圖3可知，點(diǎn)缺陷處的缺陷模波長(zhǎng)為73.846μm,可調(diào)制的載波頻率為4.06 THz，品質(zhì)因子Q值為254。頻率為4.06 THz的太赫茲載波信號(hào)在點(diǎn)缺陷處無(wú)法諧振，因而無(wú)法通過(guò)調(diào)制器。

當(dāng)30 GW/cm2的泵浦光強(qiáng)打在點(diǎn)缺陷上時(shí)，聚苯胺的折射率變?yōu)?.55，原本可通過(guò)的4.06 THz載波信號(hào)無(wú)法再調(diào)制，調(diào)制器處于“斷”的狀態(tài)，利用RSoft軟件中的FullWAVE模塊仿真可以得到點(diǎn)缺陷處的缺陷模頻率遷移圖，如圖4所示（縱坐標(biāo)的數(shù)量級(jí)為104）。

圖4 外界泵浦光激勵(lì)后缺陷模遷移

由圖4可知，當(dāng)30 GW/cm2的泵浦光強(qiáng)入射在點(diǎn)缺陷上，缺陷模頻率發(fā)生了動(dòng)態(tài)遷移，缺陷模波長(zhǎng)從73.846 μm 遷移至74.653 μm（對(duì)應(yīng)頻率 4.01 THz）。頻率為4.06 THz的太赫茲載波信號(hào)在點(diǎn)缺陷處無(wú)法再次諧振。

2.2 太赫茲波調(diào)制器的性能分析

將太赫茲波源設(shè)置為波長(zhǎng)為4.06 THz的連續(xù)波調(diào)制，幅度為1，監(jiān)視器設(shè)置在調(diào)制器的出口處。圖5和圖6為點(diǎn)缺陷不加泵浦光，調(diào)制器表現(xiàn)為“通”時(shí)，穩(wěn)態(tài)太赫茲波場(chǎng)強(qiáng) Ey分布圖和時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)圖。圖7和圖8為點(diǎn)缺陷處加泵浦光，調(diào)制器表現(xiàn)為“斷”時(shí)，穩(wěn)態(tài)太赫茲波場(chǎng)強(qiáng)Ey分布圖和時(shí)域穩(wěn)態(tài)相應(yīng)圖（圖6、圖8的橫坐標(biāo)數(shù)量級(jí)為1010）。

圖5 “通”狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布

圖6 “通”狀態(tài)下的時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

圖7 “斷”狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布

圖8 “斷”狀態(tài)下的時(shí)域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

由圖5和圖6可知，未施加泵浦光激勵(lì)，調(diào)制器達(dá)到穩(wěn)定“通”狀態(tài)時(shí)，4.06 THz波的透過(guò)率為0.93114；由圖7和圖8可知，施加泵浦光激勵(lì)，調(diào)制器達(dá)到穩(wěn)定“斷”狀態(tài)時(shí)，太赫茲波的透過(guò)率為0.00629。根據(jù)調(diào)制器的插入損耗、消光比[4]的定義，當(dāng)入射波長(zhǎng)為4.06 THz時(shí)，調(diào)制器的插入損耗值為0.31 dB，消光比約為21.7 dB。

由圖 6和圖 8所知，基于聚苯胺材料的太赫茲波調(diào)制器達(dá)到 “通”狀態(tài)所需的穩(wěn)定時(shí)間約為100 ps，達(dá)到“斷”狀態(tài)所需的穩(wěn)定時(shí)間約為80 ps，“通”狀態(tài)的穩(wěn)定時(shí)間比“斷”狀態(tài)的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。因此基于聚苯胺材料的太赫茲波調(diào)制器的穩(wěn)定時(shí)間決定于“通”狀態(tài)的穩(wěn)定時(shí)間，即100 ps。非線(xiàn)性光控材料聚苯胺的受泵浦光調(diào)制的響應(yīng)時(shí)間約為飛秒量級(jí)[2-3]，因此太赫茲波調(diào)制器的整體響應(yīng)時(shí)間為100 ps，因此調(diào)制器的調(diào)制速率最高能達(dá)10 GHz。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型調(diào)制速率高的太赫茲波調(diào)制器。引入點(diǎn)、線(xiàn)缺陷結(jié)構(gòu)，在點(diǎn)缺陷處填充光控非線(xiàn)性材料聚苯胺。通過(guò)施加泵浦光來(lái)改變其折射率，改變點(diǎn)缺陷處的缺陷模，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同太赫茲波長(zhǎng)“通、斷”調(diào)制的目的。仿真結(jié)果表明:該調(diào)制器對(duì)4.06 THz的入射太赫茲波調(diào)制的插入損耗分別為0.31 dB，消光比為和21.7 dB，響應(yīng)時(shí)間為100 ps，調(diào)制速率為10 GHz。與目前研究的各類(lèi)光子晶體太赫茲調(diào)制器相比，這種基于復(fù)式三角晶格光子晶體的聚苯胺材料的太赫茲波調(diào)制器具有響應(yīng)時(shí)間短和調(diào)制速率高的優(yōu)點(diǎn)，在將來(lái)的高速太赫茲通信系統(tǒng)中[5-7]具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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