基于平行磁控的磁化等離子體光子晶體THz波調制器?

周雯 季珂 陳鶴鳴

1)(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

2)(南京郵電大學貝爾英才學院,南京 210023)

基于平行磁控的磁化等離子體光子晶體THz波調制器?

周雯1)季珂1)陳鶴鳴2)?

1)(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

2)(南京郵電大學貝爾英才學院,南京 210023)

(2016年8月5日收到;2016年12月6日收到修改稿)

隨著現代移動流量的劇烈增長,未來無線THz通信傳輸速率需求將會達到數十Gb/s,高速THz波調制器的研究對于THz無線通信系統具有重要意義.本文提出了一種新型的磁化等離子體THz波調制器,在二維光子晶體中引入線缺陷和填充銻化銦材料的點缺陷.基于法拉第磁光效應,由于銻化銦材料的回旋角頻率落在THz頻段,在外加磁場的作用下點缺陷表面可在THz頻段形成磁化等離子體.當外加磁場與TE波傳輸方向平行時,單頻光在諧振腔中分裂成左旋和右旋圓偏振光,二者的諧振頻率差異隨著外加磁場強度的增加而增大.控制外加磁場的有無便可實現缺陷模遷移型THz波調制器.利用時域有限差分法和有限元法分析其時域穩(wěn)態(tài)場強分布和模場分布,結果表明當外加磁場強度為0和0.8 T時,可實現THz的通、斷調制,消光比高達25.4 dB,插入損耗僅為0.3 dB,調制速率高達4 GHz.該器件在未來THz無線寬帶通信中有著巨大的潛力和應用.

光子晶體,THz波調制器,磁化等離子體,缺陷模遷移

1 引 言

太赫茲波(Terahertz,THz)通常是指頻段介于0.1—10 THz之間的電磁波.位于微波和紅外光之間,具有極其豐富的物理、化學和生物信息,有著非常重要的學術研究和生產應用價值[1?3].光子晶體(PC)能夠有效控制THz波的傳輸,目前已受到廣泛關注[4?5].作為其關鍵器件之一,光子晶體THz調制器通過某種方式將基帶信號調制到THz頻段上,使THz載波的波形隨著基帶信號的變化而變化.早在2008年,Hasek等[6]在光子晶體中填充N-(4-甲氧基芐叉)-正丁基苯胺(5CB)向量液晶,利用電控方式實現了THz波帶隙遷移型光子晶體調制器,但消光比僅為13 dB.2011年Chen等[7]在二維光子晶體中引入聚苯乙烯點缺陷實現了光控缺陷模遷移型光子晶體THz波調制器,其插入損耗高達1.02 dB,消光比僅為20.3 dB.同年,郭展等[8]在二維光子晶體中填充鐵氧體材料,調節(jié)外磁場的強度實現0.98 THz頻段的通斷調制,其消光比為30 dB.然而,這些器件性能參數不理想.另外,電控光子晶體THz波調制器件的響應時間過長,達到ms量級,影響調制速率.同時基于光控的光子晶體調制器需要精確控制外加抽運光源的抽運位置、強度以及角度,操作復雜,限制了其在高速短距離無線通信中的應用.

本文提出了一種基于磁控的磁化等離子體二維光子晶體THz波調制器,在其完整結構中引入銻化銦(InSb)點缺陷和線缺陷,當外加磁場方向平行于TE波傳播方向時,基于磁光效應,單束光分裂成左旋和右旋圓偏振光,二者的有效折射率在磁場控制下呈現色散特性.通過控制外磁場的有、無,就可實現THz波段TE光波的“通”、“斷”調制.該器件具有插入損耗低、消光比高、易于集成等特點,在高速短距離光通信系統中有著重要的應用價值.

2 結構模型和調制原理

2.1 結構模型

本文提出的磁化等離子體THz波光子晶體調制器如圖1所示. 基板為絕緣硅(silicon-oninsulator,SOI),上面是由10×11圓形硅(Si)介質柱組成的二維三角晶格光子晶體,在其完整結構的基礎上引入填充InSb材料的介質柱構成點缺陷,移除一排Si介質柱形成傳輸波導,并與點缺陷以直接耦合形式相連接構成磁控THz波光子晶體調制器.上下端面設置螺旋線圈,施加電壓產生沿x軸向的可調磁場Bx,位于THz頻段的TE光沿x方向入射,通過調節(jié)磁場的方向和磁場強度可實現THz波的“通”、“斷”調制,如圖1(a)示.調制器結構參數為:晶格常數a=55μm,Si介質柱半徑r1=11μm,在THz波段忽略吸收損耗,Si的折射率n=3.41[9],引入填充InSb材料點缺陷的半徑為r2=14.75μm,如圖1(b)所示.由于InSb材料在外加磁場控制下的色散特性,該調制器可實現基于磁控的光子晶體THz波缺陷模遷移型調制器.可采用掃描式電子束顯微鏡、蝕刻法、微影技術等微加工技術有序制作出硅基二維光子晶體微腔平板結構,再在點缺陷處利用分子束外延技術生長InSb薄膜,構成磁控光子晶體THz波調制器.

圖1 (網刊彩色)磁化等離子體光子晶體THz波調制器 (a)結構示意圖;(b)截面結構圖Fig.1.(color online)The structure model of THz wave modulator based on magnetized plasma PC with(a)the schematic diagram of the modulator and(b)the structure parameters.

2.2 平行于磁場傳播的TE波磁化等離子體在磁場下的色散特性

本文設計的調制器采用InSb半導體和空氣介質分層的微腔結構,在外加磁場作用下,InSb中的自由載流子的集體振動與入射電磁波耦合會產生表面磁化等離子體的回旋共振,當電磁波頻率接近磁化等離子體頻率ωp時,表面磁化等離子體被強烈地局域在半導體-空氣介質表面并沿表面?zhèn)鞑?能量在垂直方向迅速衰減[10].由于InSb的回旋頻率正好落在THz波段并隨著外加磁場的變化而變化,因此InSb材料是一種性能良好的THz磁光材料,可利用其制作多種磁光THz器件,包括光開關、濾波器、隔離器、偏振控制器等器件[11?15].InSb材料在外加磁場下,其介電張量遵循Drude模型[16],在不同的磁場方向上等離子體產生不同的擾動響應,當外加磁場方向為x軸,并設磁化等離子體是無界的、無碰撞的,則電磁波沿x軸傳播.在外加磁場的施加下,磁化等離子體成為各向異性介質,為非互易性張量,其中張量元的大小隨著外加磁場的強度發(fā)生變化.電磁波的傳輸滿足波動方程[17,18]:

式中,Ex,Ey以及Ez分別為x,y以及z方向上的電場分量,n為InSb的等效折射率,εij(i,j=x,y,z)為x,y以及z方向上的等效介電常數,ωp≈為InSb材料的等離子角頻率,N為本征載流子濃度,e為電子電量,m?為InSb材料的有效電子質量.γ為電子碰撞角頻率,ωc=eB0/m?為電子回旋角頻率,ω是入射光的角頻率.ε∞=15.68,γ=0.314×1012rad/s.

由于TM光電子的電場分量振動方向與外磁場方向平行[19],所以外磁場不能對其運動造成擾動.在此,僅討論TE光的情形.(1)式的非零解為n2=εyy±jεyz,將(3)和(4)式代入其中可得左旋圓極化波(left-hand circular polarization,LCP)、右旋圓極化波(right-hand circular polarization,RCP)的等效折射率nLCP,nRCP為

將(5)式代入(1)式可得

(6)式說明折射率為nLCP的特征波是左旋圓極化的純橫波,同理,(7)式說明折射率為nRCP的特征波是右旋圓極化的純橫波.

當(5)式中折射率的值等于0時,可以得到TE波的右旋截止頻率wR和左旋截止頻率wL分別為:

由于InSb材料的溫度敏感性[20],本文提出的器件工作在T=150 K.從圖2可知,施加一定磁場強度的外加磁場Bx后,TE偏振光在InSb材料中傳輸時,其等效折射率可以等效為左旋圓偏振光折射率nLCP和右旋圓偏振光折射率nRCP.當施加外磁場后,nLCP如圖2中實線所示,nRCP如虛線所示.當外加磁場強度為0時,左右截止頻率相等且為ωp,混合回旋等離子體頻率為針對LCP,當0<ω<ωL時,折射率為負值,TE波不能正常傳播,而ω>ωL時,可以正常傳播;對于RCP,當ω<ωH以及ω>ωR時,TE波可以正常傳播,而ωH<ω<ωR時,不能夠正常傳播.隨著Bx的增大,ωH和ωR發(fā)生藍移,而ωL則發(fā)生紅移.特別當Bx=800 mT時,ωH為1.929 THz,ωR向高頻移動至1.987 THz,ωL向低頻移動到0.12 THz.在高頻波段(0.5—2.5 THz)處,TE波在外磁場(Bx6 800 mT)的控制下均能夠正常傳播,并且隨著外磁場的增強,有外加磁場時的左旋圓極化波的折射率逐漸增大,而右旋圓極化波的折射率變小,二者之間的折射率差異明顯.此外,與沒有磁場控制時的折射率之間的差異較小,而對于RCP情形,與之間的折射率差異相對較大,并隨著Bx的增大而增大.

圖2 (網刊彩色)外加磁場強度為 0—800 mT時,平行于磁場傳播的磁化等離子體中的左旋、右旋圓極化波等效折射率Fig.2.(color online)nLCPand nRCPof InSb magnetized plasma parallel to different magnetic field changing from 0 to 800 mT.

3 平行磁場方向傳播的缺陷模諧振特性

采用圖1(b)中所示二維光子晶體調制器的完整三角晶格結構,如圖3灰色區(qū)域所示,圖3顯示TE波存在兩個帶隙,紅色表示第一帶隙,歸一化頻率工作范圍為0.572—0.599(a/λ),頻率范圍為3.12—3.26 THz,藍色代表第二帶隙,歸一化頻率范圍為0.280—0.451(a/λ),頻率在1.52—2.46 THz范圍變化,本文所設計的調制器均是基于第二帶隙實現的.

在圖3中灰色區(qū)域所示的完整結構中引入填充InSb材料的介質柱,形成諧振腔,半徑為r2=14.75μm,當外加磁場方向平行于TE波矢時,利用有限元法計算出隨外加磁場強度變化的等效折射率以及缺陷模諧振頻譜如圖4所示.

圖3 (網刊彩色)完整結構的二維光子晶體的TE波能帶圖Fig.3.(color online)The TE band structure for 2-D PC complete structure.

圖4 (網刊彩色)(a)平行磁場傳播的LCP和RCP的有效折射率以及諧振模場分布;(b)諧振頻率隨著外加磁場強度變化Fig.4.(color online)(a)The effective refractive index and the mode patterns of LCP/RCP magnetized plasmon resonance under the control of the external magnetic field parallel to TE wave;(b)the center resonance frequencies dependence of the intensity of magnetic field.

不施加外磁場時點缺陷能夠諧振頻率為2.03 THz的TE光,對應InSb材料磁化等離子體的折射率為3.836,當施加沿x方向的外磁場后,TE光分裂成LCP和RCP這兩個缺陷模,并且其有效折射率也不相等.隨著磁場強度的增強(0—0.8 T),逐漸增大至3.895,而逐漸減小至3.301,且變化趨勢較大,如圖4(a)所示.根據圖4(a)中的LCP和RCP在點缺陷中的模場分布可知,光子晶體磁化等離子體微腔中諧振的右旋和左旋圓偏振缺陷模的諧振模式均為雙極模式,左旋TE波的振動方向是逆時針方向旋轉的,而右旋TE波的振動方向是順時針方向旋轉的,二者之間存在π/2的相位差,這與(6)式和(7)式的描述一致.因此點腔中諧振的LCP和RCP缺陷模的諧振頻率也隨著外磁場強度的變化而變化.對于LCP,缺陷模中心頻率隨著外加磁場強度(0—800 mT)的增強而降低,在2.032—1.99 THz區(qū)間變化,頻率遷移量為|?f|LCP=0.042 THz;對于RCP,缺陷模中心頻率隨著外加磁場強度的增大而提高,在2.03—2.33 THz范圍變化,頻率遷移量為|?f|RCP=0.298 THz.二者的頻率差亦隨著磁場的增強而增大到?f=0.34 THz,如圖4(b)所示.為了提高調制器的消光比,應盡量增大有、無磁場情形下的缺陷模頻率變化量.這可以通過增大磁場強度來實現,因為頻率變化量隨著磁場強度的增大而增大.因此取外加磁場強度為800 mT,當Bx分別為0和0.8T時,諧振腔中缺陷模的諧振頻譜如圖5所示,這個值是通過仿真軟件Comsol 4.3計算出來的.

圖5 (網刊彩色)當Bx分別為0和0.8 T時,InSb諧振腔中的缺陷模諧振頻譜Fig.5.(color online)The frequency spectra of the defect mode resonant in InSb cavity when Bxis 0 and 0.8 T,respectively.

衡量諧振腔的品質因子Q=f/?f,其中f為諧振腔的中心頻率,?f為半峰頻寬.當Bx=0 T時,缺陷模的諧振頻率為2.03 THz,Q值約為254;當Bx=800 mT時,TE光分裂成LCP和RCP這兩束缺陷模,LCP諧振頻率紅移至1.99 THz,Q值約為132,RCP諧振頻率紅移至2.33 THz,Q值約為93.

4 平行于磁場方向傳播的THz波調制器性能

根據圖6可知,一束頻率為2.03 THz的TE光波從光子晶體THz波調制器左端口入射,當外加磁場強度為0 T時,TE光波落在點、線缺陷共振模處,能透過調制器,呈“通”狀態(tài),其透射率為93.3%.當施加外磁場的強度為800 mT時,產生LCP和RCP,頻率發(fā)生偏移,2.03 THz的光波不處于點、線缺陷共振模處,此時光波不能透過調制器,呈“斷”狀態(tài),透射率僅為0.27%,調制效果較為理想.消光比其中Imax表示調制“通”狀態(tài)時的出射光強,Imin表示調制“斷”狀態(tài)時的出射光強.插入損耗其中Iin是輸入調制器前的載波信號光強,Iout(max)是外界調制信號激勵時輸出的最大傳輸光強.InSb在磁場控制下的材料響應時間為100 ps[21],根據時域有限差分法計算出的時域穩(wěn)態(tài)場強分布圖6可知,調制響應時間約為250 ps,調制速率為4 GHz,消光比高達25.4 dB,插入損耗為0.3 dB.對應的模式場強Ey分布如圖6(c)和圖6(d)所示,當B=0 T時,2.03 THz的TE光能夠通過調制器,呈現“通”狀態(tài),如圖6(c)所示;當B=0.8 T時,2.03 THz的TE光不能通過調制器,呈現“斷”狀態(tài),如圖6(d)所示.由于TM光電子的電場分量振動方向與外磁場方向平行,所以調制器對TM波不起作用.

圖6 (網刊彩色)(a)平行磁場傳播的TE光波在“通”調制狀態(tài)下的時域穩(wěn)態(tài)圖;(b)TE光波在“斷”調制狀態(tài)下的時域穩(wěn)態(tài)圖;(c)在“通”調制狀態(tài)下的時域穩(wěn)態(tài)圖的模場分布圖;(d)在“斷”調制狀態(tài)下的時域穩(wěn)態(tài)圖的模場分布圖Fig.6.(color online)Time domain steady-state response of TE wave propagating parallel to the magneticfield at “on” state(a);at“o ff” state(b);THz field intensity distribution at steady-state mode of Eywhen the modulator is“on” (c);“o ff” (d).

5 結 論

本文提出了一種新型基于平行磁控的THz波光子晶體調制器,在完整三角晶格結構中引入線缺陷和填充InSb材料的點缺陷,在磁場的控制下形成磁化等離子體,其介電張量遵循Drude模型,具有色散特性.當磁場方向平行于TE波傳輸方向時,諧振腔中分別產生LCP和RCP偏振光,不同的磁場強度引起諧振腔缺陷模頻率的遷移.本文提出的磁控調制器消光比高達25.4 dB,插入損耗為0.3 dB,調制速率達到4 GHz,該調制器的晶格常數為55μm,包括10×11圓形Si介質柱,尺寸僅為0.55×0.605 mm2.該器件結構簡單、調制信號加載方便,可以利用半導體工藝制作.

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PACS:42.70.Qs,84.30.Qi,78.20.Ls,87.50.U– DOI:10.7498/aps.66.054210

Parallel magneticcontrolled THz modulator based on two-dimensional magnetized plasma photonic crystal?

Zhou Wen1)Ji Ke1)Chen He-Ming2)?

1)(School of Opto-Electronics,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)
2)(Bell Honors School,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

5 August 2016;revised manuscript

6 December 2016)

THz waves are very good candidates for high-capacity wireless links since they offer a much higher bandwidth than RF frequencies.Photonic crystal(PC)offers a new opportunity for integrated THz wave devices.It permits the integrated devices to be miniaturized to a scale comparable to the wavelength of the electromagnetic wave.Considering their governing properties such as photonic band gap(PBG)and photon localization effect to control electromagnetic wave propagations,PC-based THz modulator has attracted much attention.Tunability strategies include mechanical control,electrical control,magneto static control,temperature control and optical pumping.However,the development of high-speed THz wireless communication system is limited by the low modulation depth and rate of previously reported modulators.In this paper,we propose a novel magnetic-controlled THz modulator based on a magnetized plasma PC consisting of line defects and a point defect.InSb,a semiconductor with high electron mobility,is introduced into the point defect.According to the magneto-optical effect,the refractive index of InSb changes rapidly under the control of the applied magnetic field(MF)intensity.Then the mode frequency in the point defect changes dynamically.The structure is based on a two-dimensional PC constructed by triangular lattice of Si rods in air.Based on the magneto-optic effect,the magnetized plasma defect mode in the THz regime can be decomposed into the left-and right-handed circularly polarized light when the applied magnetic field is parallel to the direction of the THz wave.And the difference in effective refractive index between the left-and right-handed circularly polarized light increases with the applied uniform magnetic field increasing.Therefore the on/o ffmodulation of left-and right-hand circularly polarized light can be realized.The steady-state field intensity distribution and the time domain steady state response of TE wave propagating parallelly to the external magnetic field are simulated by the finite-difference-time-domain and finite element method.The simulation results show that PC-based mode transfer modulator has the potential application to THz wireless broadband communication system with a good performance of high contrast ratio(<25.4 dB),low insertion loss(<0.3 dB)and high modulation rate(～4 GHz).It is convenient to load the modulation signals in an easy MF application way.The device designed is leading the way to extend the application of THz wireless communication filed with advantages of small size,low insertion loss,and high extinction ratio.

photonic crystal,THz modulator,magnetized plasma,defect mode transfer

PACS:42.70.Qs,84.30.Qi,78.20.Ls,87.50.U–

10.7498/aps.66.054210

?國家自然科學基金(批準號:61077084,61571237)、江蘇省自然科學基金(批準號:BK20151509)和江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃(批準號:KYLX15_0835)資助的課題.

?通信作者.E-mail:chhm@njupt.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61077084,61571237),the Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China(Grant No.BK20151509),and the Colleges and Universities in Jiangsu Province Plans for Graduate Research and Innovation,China(Grant No.KYLX15_0835).

?Corresponding author.E-mail:chhm@njupt.edu.cn