CN101881918A - 一种基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器及调制方法 - Google Patents
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本发明是一种基于非线性光子晶体的光控太赫兹波调制器，尤其是一种缺陷模迁移型非线性光子晶体太赫兹波调制器。其中三角晶格光子晶体(1)是沿X-Z平面呈三角形周期性分布的大空气孔型硅光子晶体，其大空气孔的横截面为圆形，衬底材料为二氧化硅；波导区(2)位于三角晶格光子晶体(1)的两端，是由填充了三角晶格光子晶体(1)中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷组成，填充的材料为硅介质，并且波导的末端与牵引点(3)的小孔相连；牵引点(3)是由波导区(2)末端的2个空气孔组成，但其半径比三角晶格光子晶体(1)中的其他大空气孔半径要小，相对中心点缺陷呈对称分布；点缺陷谐振腔(4)是由克尔型非线性光学材料填充中央处的大空气孔而成。
Description
技术领域
本发明是一种太赫兹波调制器(光子晶体结构)，尤其是一种缺陷模迁移型、非线性光子晶体太赫兹波调制器，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
在当今信息大爆炸的社会中，数据通信业务对带宽的需求日益增长，300GHz以下的无线频谱资源已经耗尽，而太赫兹波(100GHz～10THz)是频谱上的最后一段空白，将其应用于未来的无线通信领域，以解决高速率、超宽带无线接入问题是必然的趋势。太赫兹波调制器作为太赫兹波通信系统中关键的一环，引起了国内外学者的广泛研究。同时，可调谐光子晶体作为一种新兴材料，被广泛的用于制作光通信系统中的调制器、光开关、滤波器等各种功能器件。光子晶体技术和太赫兹波技术的相结合为设计出一种太赫兹波调制器提供了新的思路。
根据调制机理的不同，光子晶体太赫兹波调制器主要分为以下两类：光子带隙迁移型和缺陷模迁移型。其中光子带隙迁移型太赫兹波调制器是利用光子带隙的迁移来实现对太赫兹波的断、通调制；而缺陷模迁移型太赫兹波调制器是利用光子晶体的缺陷模迁移来实现对太赫兹波的断通调制。并且缺陷模迁移型太赫兹波调制器比光子带隙迁移型太赫兹波调制器的调制性能更好。
非线性光子晶体太赫兹波调制器具有以下优势：调制器的响应速度可以提高到飞秒量级，因此调制速率可高达GHz量级；调制器的插入损耗低；调制深度可以达到很大；控制光的阈值功率可以大大降低，调制器的稳定性和可靠性可以很大程度上得到保证；体积非常小，易于集成电路。
缺陷模迁移型非线性光子晶体太赫兹波调制器，是在光子晶体的点缺陷处引入三阶非线性光学介质。控制光垂直X-Z平面入射在点缺陷处，随着控制光强的增大，三阶非线性光学介质的折射率因光克尔效应将发生快速变化，光子晶体中点缺陷谐振腔内的缺陷模频率将发生动态迁移，从而控制传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器及调制方法，其采用光控的方法，具有很高的调制速率，且为缺陷模迁移型，从而大大减小了调制器的插入损耗，调制深度也得到了很大的改善。
技术方案：为了适应高速、超宽带太赫兹波通信系统的发展，使太赫兹波调制器具有调制速率高、低插损和大调制深度的性能，我们提出了一种新型的基于非线性光子晶体的光控太赫兹波调制器，使其工作在太赫兹波段，具有实际的应用价值；目前大部分光子晶体太赫兹波调制器采用液晶等响应时间缓慢的可调谐材料，因此调制速率都很低，仅为10kHz左右，限制了其在高速太赫兹波通信系统中的应用；且调制器都采用带隙迁移型结构，其插入损耗或调制深度等性能不理想。我们采用点、线缺陷组合结构，并在中心点缺陷处填充非线性有机聚合物聚苯胺，得以实现缺陷模迁移型、基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器，调制器的调制速率高达2.5GHz，调制深度大于20dB，插入损耗低于1dB，调制性能良好。
本发明的基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器包括三角晶格硅光子晶体、波导区、牵引点、点缺陷谐振腔；其中，三角晶格光子晶体是沿X-Z平面呈三角形周期性分布的空气孔型硅光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区，在三角晶格光子晶体的中心空气孔处填充非线性光学材料聚苯胺形成点缺陷谐振腔，在波导区和点缺陷谐振腔之间设有牵引点，太赫兹波从波导区的左端输入，波导区的右端输出；控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔内。
信号光是太赫兹波，太赫兹波从波导区左端输入，波导区右端输出，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔内。
本发明的光子晶体太赫兹波调制器的太赫兹波调制方法，是利用光子晶体点缺陷的缺陷模频率的动态迁移来实现对太赫兹波的通、断调制；通过改变控制光的大小，使光子晶体中心点缺陷处的非线性光学介质的折射率因光克尔效应发生快速变化，从而使点缺陷谐振腔的缺陷模频率发生改变，以此来控制传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。
有益效果：本发明提出的一种新型的基于非线性光子晶体的光控太赫兹波调制器，尤其是一种缺陷模迁移型光子晶体太赫兹波调制器。此调制器在二维三角晶格空气孔型硅光子晶体中，将线陷波导区、牵引点和中心点缺陷谐振腔相结合，其中波导区提供了太赫兹波在光子晶体中的有效传输路径，填充非线性有机聚合物的点缺陷谐振腔起着快速高效地谐振和选频作用，而牵引点的存在使得能量传递效率更高，插入损耗大大减少，调制深度显著提高。更重要的是，由于引入了非线性光学材料，此光控太赫兹波调制器的调制速率很高，可达GHz量级，可以满足未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。此结构的光子晶体太赫兹波调制器可灵活改变三角晶格光子晶体的各参数、非线性有机聚合物的种类、波导区的分布、牵引点小孔的直径等，因此可以设计其工作波长、调制深度、控制光的阈值光功率等性能。
附图说明
图1为本发明光子晶体太赫兹波调制器的结构图，图中有：三角晶格光子晶体1、波导区2、牵引点3，点缺陷谐振腔4。太赫兹波从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出。控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔4内。
图2为在有、无控制光情况下，点缺陷处缺陷模频率的动态迁移图。
图3为本发明光子晶体太赫兹波调制器工作区的能量分布图。在有、无控制光的情况下输出端得到了不同的太赫兹波强度。图3a为“通”状态的示意图，图3b为“断”状态的示意图。
具体实施方式
该非线性光子晶体太赫兹波调制器包括三角晶格光子晶体、波导区2、牵引点3、点缺陷谐振腔4；其中，三角晶格光子晶体1是沿X-Z平面呈三角形周期性分布的空气孔型硅光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区2，在三角晶格光子晶体1的中心空气孔内设有点缺陷谐振腔4，在波导区2和点缺陷谐振腔4之间设有牵引点3，太赫兹波从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出；控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔4内。
点缺陷谐振腔4是由非线性光学材料聚苯胺(PANI)填充空气孔而成。
波导区2是由填充了三角晶格光子晶体1中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷构成，两线缺陷不相通，填充的材料为硅，同时波导的末端与牵引点3的小孔相连。
牵引点3是位于波导区2末端的2个空气孔，其半径比三角晶格光子晶体1中的其他空气孔半径要小，且相对于中心点缺陷呈对称分布。
太赫兹波载频为1THz，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供。
本发明提供的基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器由三角晶格光子晶体、波导区、牵引点、点缺陷谐振腔构成。其中三角晶格光子晶体是沿X-Z平面呈三角形周期性分布的空气孔型硅光子晶体，其空气孔的横截面为圆形，衬底材料为二氧化硅；波导区位于三角晶格光子晶体的两端，是由填充了三角晶格光子晶体中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成，填充材料为硅介质，并且波导的末端与牵引点小孔相连；牵引点的半径比三角晶格光子晶体中的其他大空气孔半径要小；点缺陷谐振腔是由克尔型非线性光学材料填充中央处的大空气孔而成，可以为有机聚合物材料，如含有聚苯胺(PANI)。太赫兹波从波导区的左端输入，波导区的右端输出。控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔内；太赫兹波载频为1THz，控制光可以由常用激光器提供或者由其倍频光提供。
具体参数为：晶格常数a＝129.6μm，空气孔直径d＝116.6μm，介质硅折射率为3.4，点缺陷处采用含有非线性有机聚合物聚苯胺(PANI)作为克尔型非线性光学材料，非线性折射率为n2＝1.58×10-12(cm2/W)，线性折射率为n0＝1.50，牵引点小孔直径为0.2a，该光子晶体平板厚度取130μm。
此缺陷模迁移型太赫兹波调制器的工作原理如下：中心点缺陷谐振腔可以对太赫兹波选频，使符合谐振频率(即缺陷模)的太赫兹波在点缺陷处谐振。因此当入射在中心点缺陷处的控制光强为零时，点缺陷处聚苯胺的线性折射率为1.50，缺陷模频率为1.01THz(对应波长298μm)，太赫兹波无法在点缺陷中谐振，因而无法通过调制器；当有控制光强时，由于光学克尔效应，点缺陷处的非线性材料聚苯胺产生强烈的三阶非线性极化，折射率发生快速变化。而三阶非线性材料的折射率随光强的变化公式为n＝n0+Δn＝n0+n2I，其中n0是材料的线性折射率，I是控制光强，n2是材料的非线性折射率。由聚苯胺的三阶非线性极化率χ(3)＝9.0*10-11esu可算得其n2为1.58×10-14cm2/W。因此当控制光强I为30GW/cm2时，聚苯胺的折射率快速变为1.55。如图2所示，此时缺陷模频率发生了动态迁移，迁移至1THz(对应波长300μm)。太赫兹波可以在点缺陷谐振腔中谐振，从而通过调制器。因此太赫兹波的强度可以随外加控制光强的变化而变化，实现了对太赫兹波强度的通、断调制。
调制过程如下：当一束频率为1THz的TE模太赫兹波从调制器的线缺陷波导区入射时
(1)当施加在中心点缺陷处的控制光为零时，点缺陷处聚苯胺的线性折射率为n＝1.50，缺陷模频率为1.01THz(对应波长298μm)。如图3所示，1THz频率的太赫兹波无法通过调制器，处于“断”的状态，透过调制器的太赫兹波能量仅为0.008％。
(2)当施加在中心点缺陷处的控制光强为30GW/cm2时，点缺陷处的聚苯胺由于受到光学克尔效应的调制，折射率改变为n＝1.55，缺陷模频率动态迁移到了1THz(对应波长300μm)。如图3所示，此时太赫兹波在中心点缺陷谐振腔内谐振，调制器处于“通”的状态，79.86％的太赫兹波能量透过了调制器，插入损耗为1.02dB，调制深度为20.1dB。
Claims (3)
1.一种基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器，其特征在于该光子晶体太赫兹波调制器包括三角晶格硅光子晶体(1)、波导区(2)、牵引点(3)、点缺陷谐振腔(4)；其中，三角晶格光子晶体(1)是沿X-Z平面呈三角形周期性分布的空气孔型硅光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，在三角晶格光子晶体(1)的中心空气孔处填充非线性光学材料聚苯胺形成点缺陷谐振腔(4)，在波导区(2)和点缺陷谐振腔(4)之间设有牵引点(3)，太赫兹波从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔(4)内。
2.根据权利要求1所述的光子晶体太赫兹波调制器，其特征在于信号光是太赫兹波，太赫兹波从波导区(2)左端输入，波导区(2)右端输出，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，控制光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到中央点缺陷谐振腔(4)内。
3.一种如权利要求1所述光子晶体太赫兹波调制器的太赫兹波调制方法，其特征在于：所述的调制器是利用光子晶体点缺陷的缺陷模频率的动态迁移来实现对太赫兹波的通、断调制；通过改变控制光的大小，使光子晶体中心点缺陷处的非线性光学介质的折射率因光克尔效应发生快速变化，从而使点缺陷谐振腔的缺陷模频率发生改变，以此来控制传播太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。
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