二维复式晶格光控四波长太赫兹波调制器

引言

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，具有频率高、脉冲短、高空间相干性等特性。作为一类新型的光学材料，光子晶体引起了越来越多的注意。光子带隙的存在使得光子晶体表现出许多重要的光学特性。太赫兹波调制器是太赫兹通信系统的重要部件，近年来,全世界范围内掀起了一个研究太赫兹通信系统及器件的热潮[1-6]。目前大部分利用简单晶格引入线缺陷与点缺陷来实现太赫兹波的通、断调制，但简单晶格的光子带隙比较窄，选择波长的范围比较小。为了克服这一缺点，本文设计的复式晶格光子晶体调制器，不仅可以增大光子禁带的带宽，而且通过利用一个点缺陷控制两个缺陷模的优势，已达到同时调制四个不同太赫兹波的目的。在点缺陷处填充砷化镓(GaAs)材料，当在点缺陷处加泵浦光时，GaAs的折射率发生改变，导致缺陷态发生变化，从而实现对太赫兹调制器的通、断调制。仿真表明：复式晶格中同样的两个点缺陷不仅可以同时调制四波长的条件下，而且响应时间更短，调制深度更大，在密集波分复用系统中将得到广泛应用。

1结构模型和机理调制

1.1调制器结构

本文中太赫兹波调制器采用的二维复式晶格Si介质柱型光子晶体结构如图1所示。

介质柱材料为高纯硅，折射率为3.4，背景材料为空气，折射率为1。利用RSOFT软件中的bandsolve模块进行带隙仿真计算，并与简单晶格的光子带隙进行比较。图2所示是复式晶格与简单晶格的带隙比较图。

在图2所示的比较图中，复式晶格的最大带隙的归一化(a/λ)范围为0.37237~0.52927，宽度达0.15690，简单晶格的最大带隙归一化(a/λ)范围分别为0.31756~0.45808，带宽为0.14052。可见，此种复式结构的光子晶体带隙增大了10%以上，且出现高阶带隙，具有光子带隙大的优点。沿Z轴方向，去掉复式晶格Si介质柱型光子晶体的中心一排圆、方间隔的Si介质柱，构成一条线缺陷。在线缺陷的两侧使用GaAs构造圆形、方形点缺陷谐振腔。其调制器结构如图3所示。

1.2调制机理

在本文中提出的光子晶体调制器中，缺陷处填充的掺杂半导体为n型GaAs。实验表明，随着GaAs内部载流子浓度从1015cm-3变化到1017cm-3时，其虚部逐渐增到到和实部相等，进而超过实部。使用的泵浦光源(调制光源)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，响应时间在皮秒量级，实部约为3.55。当没有泵浦光入射时，砷化镓处于基态，其虚部为0，实部几乎不变。

当没有泵浦光入射时，由于GaAs的折射率为N=3.55,此时符合缺陷模频率的太赫兹波入射到线缺陷构成的波导并耦合入点缺陷中，在点缺陷处谐振，不断积累能量，最终入射光完全局域在点缺陷中，没有光输出调制器，调制器表现为关；当在点缺陷处加上泵浦光源时，GaAs的折射率N=3.55+2.55i，此时缺陷模就会发生迁移，符合原缺陷模频率的太赫兹波就无法在点缺陷中谐振，从而入射光几乎通过线缺陷输出，调制器表现为开。

2调制器的性能分析

2.1缺陷模特性仿真与分析

现考虑一束TE模(即电场方向Ey与2D平面垂直)太赫兹波从调制器的点缺陷入射情况，圆形点缺陷的半径为11um,方形点缺陷边长为18.9um。当没有泵浦光加在圆形点缺陷上时，根据FDTD算法进行仿真，可以得到此时圆形点缺陷处的谐振频率波长为60.677呻、63.795卩m,同理可得，此时方形点缺陷处的谐振频率波长为59.759卩m、64.842卩m,其频谱图如图4所示。

2.2调制器的稳态场强分布分析

本文将考虑四种情况：

第一是在调制器结构的圆形点缺陷上施加泵浦光，方形点缺陷上不施加泵浦光，使得60.677呻、63.795呻的光同时通过调制器，其稳态太赫兹波的场强如图5所示。

第二是当圆形点缺陷上不施加泵浦光，方形点缺陷上施加泵浦光时，使得59.759卩m、64.842呻的光同时通过调制器,其稳态太赫兹波的场强如图6所示。

第三是当圆形、方形点缺陷上均不施加泵浦光时，使得四个波长的太赫兹波均不能通过调制器，其稳态太赫兹波的场强如图7所示。

第四是当圆形、方形点缺陷上均施加泵浦光时，使得四个波长的太赫兹波同时通过调制器，其情形如图8所示。

由图5、图6、图7和图8可知，复式晶格光子晶体在引入一条线缺陷与两个点缺陷后完全可以调制四束不同的太赫兹波。这就克服了简单晶格两个点缺陷只能调制两束太赫兹波的不便。

3结语

本文提出了一种复式晶格四波长太赫兹波调制器的方案。通过对比简单晶格一个点缺陷调制一束太赫兹波的原理，阐述了复式晶格中一个点缺陷同时调制两个缺陷模的优势。同时,文章还分析了调制器四种情况的稳态场强分布，从而证明此调制器是可以实现的，并在未来太赫兹通信系统中具有重要的应用价值。

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