太赫茲光子晶體波導(dǎo)傳輸特性研究

劉榮青

摘? 要：文章研究了含有缺陷的二維光子晶體TM模能帶結(jié)構(gòu)和太赫茲波的傳輸特性。研究發(fā)現(xiàn)，含有線(xiàn)缺陷的光子晶體波導(dǎo)能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了彎曲，具有非常優(yōu)越的導(dǎo)波性能，THz波只能沿著線(xiàn)缺陷區(qū)域傳播，幾乎沒(méi)有能量從波導(dǎo)的上下兩側(cè)泄露出去。此研究結(jié)果對(duì)高速率、超寬帶THz通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，為太赫茲波器件的開(kāi)發(fā)提供重要理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太赫茲;二維光子晶體;禁帶

中圖分類(lèi)號(hào)：O734? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0019-02

Abstract： In this paper， the band structure of TM mode and the transmission characteristics of terahertz wave in two-dimensional photonic crystals with defects are studied. It is found that the band structure of photonic crystal waveguides with line defects is bent and has very excellent guided wave performance. THz waves can only propagate along the region of line defects， and almost no energy is leaked from the upper and lower sides of the waveguides. The research results have important guiding significance for the development of high-speed and ultra-wideband THz communication systems， and provide an important theoretical basis for the development of terahertz wave devices.

Keywords： terahertz; two-dimensional photonic crystals; bandgap

引言

鑒于THz波的重大應(yīng)用前景，近年來(lái)如何構(gòu)建一套用于THz波產(chǎn)生、傳輸、控制、探測(cè)和應(yīng)用的完整光學(xué)系統(tǒng)逐漸成為太赫茲技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。目前人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些高效的太赫茲輻射源，在此基礎(chǔ)上，如何有效地調(diào)節(jié)和控制太赫茲波的傳播成為了一個(gè)重要的研究方向。因?yàn)門(mén)Hz波在自由空間中傳播時(shí)的能量損耗較大，所以如何研究出便于操控THz波傳輸并且有利于各個(gè)器件之間連接和耦合的波導(dǎo)型功能器件非常關(guān)鍵[2]。在探索無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的過(guò)程中，波導(dǎo)型功能器件也展示出了舉足輕重的作用。目前，主要用來(lái)傳輸THz的波導(dǎo)型功能器件分為以下幾類(lèi)：THz不銹鋼波導(dǎo)、THz等離子體波導(dǎo)、THz聚合物波導(dǎo)、THz光子晶體波導(dǎo)和THz塑料帶狀波導(dǎo)等[3]。光子晶體[4]作為一種由不同介電常數(shù)的介質(zhì)在空間中周期性排布而構(gòu)成的新型人造材料，形成了一定的光學(xué)禁帶[5]和通帶。光子晶體發(fā)生布拉格散射形成了禁帶，禁帶頻率范圍內(nèi)的光波無(wú)法在此結(jié)構(gòu)中傳輸。假如破壞晶體的結(jié)構(gòu)，形成了缺陷態(tài)，就可以很好地局域某些頻率的電磁波。線(xiàn)缺陷則可以作為波導(dǎo)，傳導(dǎo)某些頻率的電磁波。由于光子晶體中存在“禁帶”，通過(guò)設(shè)計(jì)光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)，理論上就能夠人為控制THz波的傳輸，傳輸損耗很低，幾乎沒(méi)有能量的損失。

本文結(jié)合“光子晶體”與“太赫茲”兩大光學(xué)研討熱門(mén)領(lǐng)域，力圖探求THz在含有線(xiàn)缺陷的二維光子晶體中的傳輸規(guī)律和特性。

1 仿真模型

光子晶體中一排或者一列連續(xù)的點(diǎn)缺陷即可構(gòu)成線(xiàn)缺陷，這種結(jié)構(gòu)又被稱(chēng)作為光子晶體波導(dǎo)[6]。在模擬仿真光子晶體波導(dǎo)的能帶時(shí)，選用19×19正方晶格硅介質(zhì)柱二維光子晶體，晶格常數(shù)a=100×10-6m，R=0.3a。仿真模型如圖1所示。

圖2是含有線(xiàn)缺陷的二維太赫茲光子晶體TM波能帶仿真結(jié)果，禁帶范圍大約為0.5982-0.7893THz、1.2703-1.5191THz、1.8837-2.0013THz。研究最寬禁帶1.2703-1.5191THz模式情況，圖像在橫坐標(biāo)波矢K為1-11段時(shí)比較平整，而在12-31段存在很大的彎折。這是由于1-11段對(duì)應(yīng)的波矢K是與光子晶體波導(dǎo)方向垂直的G-M方向，而12-21、22-31分別對(duì)應(yīng)著與光子晶體波導(dǎo)方向平行的M-K、K-G方向，由此可以說(shuō)明線(xiàn)缺陷結(jié)構(gòu)中形成波導(dǎo)的頻率與波矢K是有關(guān)的。

2 傳輸特性

為了能夠直觀清晰地觀察到光子晶體線(xiàn)缺陷結(jié)構(gòu)下場(chǎng)強(qiáng)分布的情況，在FDTD的模擬仿真中，把激勵(lì)源設(shè)置為單一頻率的波，分別為1.3847THz、1.3947THz（中心頻率）、1.4047THz，在線(xiàn)缺陷光子晶體中傳播時(shí)所對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分布強(qiáng)度如圖3（a）、（b）、（c）所示?？梢钥闯觯芯€(xiàn)缺陷的二維光子晶體具有非常優(yōu)越的導(dǎo)波性能，THz波沿著線(xiàn)缺陷區(qū)域傳輸，在波導(dǎo)的上下兩側(cè)幾乎毫無(wú)能量泄露。當(dāng)激勵(lì)源頻率位于中心頻率1.3947THz時(shí)，縱坐標(biāo)電場(chǎng)矢量最大，場(chǎng)強(qiáng)最大，傳播損耗最小，局域作用最好。這一結(jié)果足以說(shuō)明能量基本局域在線(xiàn)缺陷中，構(gòu)成光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如果離開(kāi)了缺陷，能量則會(huì)快速衰減。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文選用19×19二維正方晶格硅介質(zhì)柱分布在空氣中，晶格常數(shù)a=100×10-6m，介質(zhì)柱半徑R=0.3a時(shí)，線(xiàn)缺陷模式下的光子晶體最佳禁帶范圍約為1.2703-1.5191THz。通過(guò)改變單一激勵(lì)源頻率來(lái)研究缺陷態(tài)二維太赫茲光子晶體傳輸特性。研究表明，硅介質(zhì)柱二維光子晶體是一種非常適合THz波傳輸?shù)牟牧希瑢?duì)位于光子晶體禁帶內(nèi)的THz波表現(xiàn)出了非常優(yōu)勝的導(dǎo)波性能，能夠?qū)⒐獠ê芎玫叵拗圃陬A(yù)先設(shè)定的缺陷區(qū)域內(nèi)傳輸。此研究為制作太赫茲光子晶體器件提供重要理論依據(jù)，對(duì)高速率、超寬帶THz 通信系統(tǒng)的發(fā)展具有非常重要的參考價(jià)值[7]。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐景周，張希成.太赫茲科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[2]Rostami A， Rasooli H， Baghban H. Terahertz Technology[J]. Springer Berlin， 2011， 509（3）： 163-168.

[3]Aflakian N， Yang N， Lafave T， et al. Square Holey Cladding Dielectric THz Waveguides for Chip-to-Chip Communication[C]// Frontiers in Optics. 2016.

[4]Johnson S G ， Mekis A ， Fan S ， et al. Molding the flow of light[J]. Computing in Science & Engineering， 2001， 3（6）：38-47.

[5]Yablonovitch E. Photonic band-gap structures[M]// Confined Electrons and Photons. 1995.

[6]李雷.光子晶體波導(dǎo)特性及其應(yīng)用的研究[D].電子科技大學(xué)，2011.

[7]Taflove A， Umashankar K R. The Finite-Difference Time-Domain Method for Numerical Modeling of Electromagnetic Wave Interactions[J]. Electromagnetics， 1990， 10（1-2）： 105-126.