基于復(fù)合光子晶體缺陷的THz波調(diào)制器研究

趙年順 李 成 孫 劍

（黃山學(xué)院機(jī)電學(xué)院，安徽 黃山 245041）

0 引言

光子晶體是一種人造周期性結(jié)構(gòu)，這種將不同介電常數(shù)的介質(zhì)按一定規(guī)律周期性排列的結(jié)構(gòu)在微米級尺寸下存在著獨(dú)特的光學(xué)特性，即光子能量禁帶（PBG）[1-3],頻率處在能量禁帶中的光子，不能通過該禁帶，而其它頻率的光卻能暢通無阻。光子晶體因其能控制光子任意運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用非常廣泛，迄今為止，已有多種光子晶體全光器件被制造出來，如光波導(dǎo)[4]、濾波器[5]。而在光子晶體中引入非線性點(diǎn)缺陷，它的應(yīng)用更加廣泛，如全光開關(guān)[6]、全光二極管[7]、光功率分配器[8]、THz波調(diào)制器[9]，這些光學(xué)器件的出現(xiàn)使信息處理技術(shù)的“全光子化”成為可能，很可能在不久的將來導(dǎo)致一次信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命。

THz波調(diào)制器作為一種光學(xué)邏輯開關(guān)器件，它可以通過光功率或電流信號調(diào)制光路的開、關(guān)狀態(tài)，被認(rèn)為是未來全光通信的核心元件。因?yàn)楣庾泳w控制的光波處在THz（太赫茲）頻率范圍段，所以采用光子晶體制備THz波調(diào)制器成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中選擇一維光子晶體點(diǎn)缺陷復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)缺陷模具有較高的品質(zhì)因數(shù)Q，適合用來制備高性能的THz波調(diào)制器。隨后采用時(shí)域有限差分法對光子晶體結(jié)構(gòu)展開數(shù)值模擬，進(jìn)一步地分析了消光比、響應(yīng)時(shí)間等重要參數(shù)。

1 THz波調(diào)制器的物理模型

THz波調(diào)制器的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一塊具有Kerr非線性的介質(zhì)波導(dǎo)上等間距地鉆空氣孔形成光子晶體。介質(zhì)波導(dǎo)可以選擇砷化鎵（GaAs）或鋁砷鎵（AlGaAs）等復(fù)合半導(dǎo)體材料，空氣孔的半徑?jīng)Q定了光子能量禁帶（PBG）的頻率范圍，尺寸在微米級范圍內(nèi)可以形成THz波段的能量禁帶。一般地，所鉆空氣孔的粗糙程度會(huì)導(dǎo)致波的離散，但運(yùn)用現(xiàn)代的蝕刻技術(shù)可以使這種離散降到最小因此可以忽略不計(jì)。光子晶體的缺陷可以通過改變中間第五個(gè)氣孔的形狀形成，將最中間的氣孔選擇為方形的氣孔，方形氣孔的邊長決定缺陷模的位置。方形氣孔的兩側(cè)等間距地排列四個(gè)空氣孔。所選擇的平板作為一種非線性材料，滿足公式n(E)=n0+n2E2,其中n2=0.01μm2/W為非線性系數(shù)，復(fù)合波導(dǎo)的寬度為0.6μm?？諝饪椎陌霃竭x擇為0.12μm，空氣孔的周期距離為a=0.4μm在該種結(jié)構(gòu)下光子晶體存在頻率范圍在0.21~0.23c/a之間的能量禁帶，這里的頻率取為歸一化頻率，即歸一化頻率f’=fa/c。其中f指光波的實(shí)際頻率，頻率在太赫茲范圍內(nèi)，c指真空中的光速。

之所以選擇方形氣孔作為點(diǎn)缺陷，是因?yàn)榕c目前所報(bào)道的結(jié)構(gòu)相比[6]，該結(jié)構(gòu)具有更高的Q（品質(zhì)因子）值。品質(zhì)因子定義為Q=f0/2γ，其中f0表示中心頻率，γ指缺陷模的半高寬。點(diǎn)缺陷的存在使光子能量禁帶中出現(xiàn)極窄的缺陷態(tài)，禁帶范圍內(nèi)的光只能通過點(diǎn)缺陷傳播，光損耗損失很小。品質(zhì)因子Q可表征缺陷局域光子的能力，Q值越大，光損耗越小。

圖1 THz波調(diào)制器的物理結(jié)構(gòu)

圖2 不同尺寸點(diǎn)缺陷所對應(yīng)缺陷模Q值分布點(diǎn)

圖3 光子晶體點(diǎn)缺陷在不同功率強(qiáng)度下的透射譜

采用基于時(shí)域有限差分技術(shù)的數(shù)值模擬方法來分析THz波調(diào)制器的透射特性。圖2中給出了缺陷在不同邊長下的Q值分布，取缺陷的邊長分別為 0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm，從圖中可以看出,其對應(yīng)的缺陷模Q值分別為514、647、742、712、680?？梢钥闯鋈毕葸呴L為0.24μm時(shí)Q值最高，因此，作為THz波調(diào)制器的點(diǎn)缺陷邊長取0.24μm，該點(diǎn)的缺陷模中心頻率為0.2154 c/a，見圖3中線性缺陷模。由以上分析可知缺陷模的Q值由調(diào)制器的缺陷尺寸決定。

2 THz波調(diào)制器的數(shù)值模擬分析

在非線性情況下，調(diào)制器的缺陷模受到入射光功率強(qiáng)度的影響，當(dāng)入射光的功率強(qiáng)度增大時(shí)，受到自由載流子的影響，平板的折射率上升，從而使得點(diǎn)缺陷的缺陷模向低頻方向移動(dòng)。數(shù)值模擬中選定頻率為f1=0.2149 c/a的光波入射，如圖3中所示。

該頻率處在缺陷模中心頻率的右側(cè)，與中心頻率有一定的頻率失諧。當(dāng)入射光的功率強(qiáng)度不高時(shí)，缺陷模中心位置沒有發(fā)生變化，入射光的透射率很低，約為0.13，表現(xiàn)為“斷”狀態(tài)。當(dāng)入射光的功率強(qiáng)度增大時(shí)，缺陷模向低頻移動(dòng)，入射光的透射率很高，實(shí)現(xiàn)“通”的狀態(tài)。這里選用消光比來定義調(diào)制器的調(diào)制性能，用公式表示為η=10 log(I1/I0)，式中I1指調(diào)制器“通”狀態(tài)下輸出光強(qiáng)的最大值，I0指調(diào)制器“斷”狀態(tài)下輸出光強(qiáng)的最大值。由定義可知，消光比越高，調(diào)制器的調(diào)制性能越好。從圖中可以看到，當(dāng)入射光功率強(qiáng)度很小時(shí)，透射率如圖3中實(shí)線所示，入射光波f1在“斷”狀態(tài)下的透射率為0.13，當(dāng)入射光功率強(qiáng)度增大后，可以看到缺陷模向低頻方向移動(dòng)，同時(shí)缺陷模的頻譜展寬，Q值減小，峰值降低，光波對應(yīng)“通”狀態(tài)下的透射率為0.55。消光比計(jì)算為6。另外圖中也選定更低頻率的入射光比較，圖中f2的頻率選的更低，能使“斷”狀態(tài)下的透射率I0更小，值為0.08，但與之對應(yīng)的是，在“通”狀態(tài)下，它的最大透射率I1也會(huì)降得更低，值為0.32，消光比降為4。這是因?yàn)槿毕菽Ｏ虻皖l移動(dòng)幅度越大，峰值降得越明顯。

再來分析調(diào)制器的調(diào)制速率，調(diào)制器的調(diào)制速率與入射光在缺陷區(qū)域的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，原本處于光子能量禁帶中的特定頻率的光在缺陷中耦合，場能不斷積累并發(fā)生諧振，最終傳播出去，這個(gè)積累過程即響應(yīng)時(shí)間。圖4給出了不同缺陷邊長的THz波調(diào)制器在“通”狀態(tài)下的時(shí)域響應(yīng)圖譜。一般認(rèn)為，缺陷模局域能力越強(qiáng)，缺陷處的場能越大，那么光子的積累時(shí)間越長。也就是說Q值越大的缺陷模對應(yīng)的調(diào)制速率越小，器件的響應(yīng)越慢。這里仍取點(diǎn)缺陷的邊長分別為0.22μm、0.23μm、0.24μm、0.25μm、0.26μm 的點(diǎn)缺陷進(jìn)行比較。

圖4 不同尺寸點(diǎn)缺陷所對應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)時(shí)間

從圖4中可以看出，光子晶體結(jié)構(gòu)中的電場經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，透射率在穩(wěn)定值基本在0.8附近，品質(zhì)因子Q值最大的點(diǎn)缺陷b=0.24μm，對應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間越長約為55皮秒。而品質(zhì)因子Q值最小的點(diǎn)缺陷b=0.22μm，具有最短的響應(yīng)時(shí)間約為20皮秒。由此可以看出，調(diào)制器的響應(yīng)時(shí)間與點(diǎn)缺陷的品質(zhì)因子Q值有關(guān)，Q值越大，響應(yīng)時(shí)間越長，器件的調(diào)制速率越慢。因此，在設(shè)計(jì)THz波調(diào)制器時(shí)，不能一味地選擇高品質(zhì)因子Q值的點(diǎn)缺陷，應(yīng)同時(shí)兼顧器件對響應(yīng)時(shí)間的要求。

3 總結(jié)

采用一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建THz波調(diào)制器。在介電材料平板上周期性地蝕刻空氣孔，同時(shí)中間位置蝕刻方形空氣孔引入點(diǎn)缺陷。該結(jié)構(gòu)具有較寬的能量禁帶且存在較高Q值的缺陷模。利用基于時(shí)域有限差分技術(shù)的數(shù)值模擬軟件對該結(jié)構(gòu)展開分析。分析結(jié)果表明，隨著入射光功率的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)的缺陷模會(huì)向低頻方向移動(dòng)，從而使光子的透射實(shí)現(xiàn)“通”“斷”狀態(tài)，利用這一原理實(shí)現(xiàn)對THz波的調(diào)制。進(jìn)一步地，分析了該結(jié)構(gòu)模型的消光比，發(fā)現(xiàn)調(diào)制器的消光比與入射光的頻率有關(guān)，選擇合適的頻率入射可以得到最大的消光比。此外，通過對調(diào)制器響應(yīng)時(shí)間的分析得出了缺陷模的Q值越大，響應(yīng)時(shí)間越長的結(jié)論。以上分析結(jié)果為設(shè)計(jì)高消光比、高響應(yīng)速率的THz波調(diào)制器提供重要參考。

［1］馬錫英.光子晶體原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

［2］殷建玲,黃旭光,劉頌豪,等.介質(zhì)柱形狀對準(zhǔn)光子晶體帶隙特性的影響[J].中國激光,2010,37(2)：567-571.

［3］張會(huì),張衛(wèi)宇,徐旺.THz波段光子晶體帶隙影響因素研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2012,33(8)：84-88.

［4］章亮，張巍，聶秋華，等.二維光子晶體波導(dǎo)研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50(3)：3008-3011.

［5］王濟(jì)洲，熊玉卿，王多書，等.一維光子晶體缺陷模的濾波特性及應(yīng)用研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009,29(10)：2915-2919.

［6］劉曄,秦飛,李志遠(yuǎn).10fs超快聚苯乙烯非線性光子晶體全光開關(guān)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2010,20(3)：15-20.

［7］陳憲鋒,薛峰,汪薩克，等.基于Thue-Morse序列準(zhǔn)周期光子晶體的全光二極管現(xiàn)象[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50(1)：179-182.

［8］王榮,梁斌明,張禮朝.基于二維光子晶體點(diǎn)缺陷可調(diào)諧光功率分配器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012,32(1)：1389-1393.

［9］周榮梅,陳鶴鳴.THz波段光子晶體諧振腔的特性分析[J].光電子技術(shù)，2007,27(4)：268-271.