CN102062986B - 光控双波长太赫兹波调制器及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于非线性光子晶体的光控双波长太赫兹波调制器，尤其能同时实现两种波长的太赫兹波调制的非线性光子晶体太赫兹波调制器。其中正方晶格光子晶体(1)是沿X-Z平面呈正方形周期性分布的硅介质柱型光子晶体，硅介质柱的横截面为圆形，衬底为空气；波导区(2)位于正方晶格光子晶体(1)中间，是填充了空气的线缺陷；点缺陷谐振腔(3)和椭圆缺陷谐振腔(4)中填充了光学非线性介质砷化镓。
Description
技术领域
本发明是一种太赫兹波调制器(光子晶体结构)，尤其是一种缺陷模变化型、双波长太赫兹波调制器，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(或变化)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；消光比可以达到很大；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。
缺陷模变化型非线性光子晶体双波长太赫兹波调制器，是在光子晶体的缺陷处引入非线性光学介质。泵浦光垂直X-Z平面分别入射到点缺陷谐振腔和椭圆缺陷谐振腔内，随着泵浦光强的有无，非线性光学介质的折射率将发生快速变化，光子晶体中谐振腔内的缺陷模频率将发生动态变化，从而控制所传播双波长太赫兹波的通、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双波长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，且为缺陷模变化型，从而大大减小了调制器的插入损耗，消光比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、大调制深度且能同时实现两个波长的调制，我们提出了一种新型的基于非线性光子晶体的光控双波长太赫兹波调制器，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只能实现一种波长的太赫兹波的调制，且大多采用液晶等响应时间缓慢的可调谐材料，这些都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，其插入损耗或消光比等性能不理想。我们采用点、线缺陷和椭圆缺陷组合结构，并在点缺陷和椭圆缺陷处填充非线性材料砷化镓，得以实现缺陷模位移型、基于非线性光子晶体的光控双波长太赫兹波调制器，调制器的调制时间在皮秒量级，下消光比大于40dB，插入损耗低于1dB，调制性能良好。
本发明一种基于非线性光子晶体的双波长太赫兹波调制器包括正方晶格硅光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔、椭圆缺陷谐振腔；其中，正方晶格光子晶体是沿X-Z平面呈正方形周期性分布在空气中的硅介质柱型光子晶体，在其中间引入线缺陷构成波导区，在线缺陷的上下两侧分别引入点缺陷和椭圆缺陷，并在两种缺陷中引入非线性材料砷化镓，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平面的方向分别入射到点缺陷谐振腔和椭圆缺陷谐振腔内。
信号光是两种波长的太赫兹波，太赫兹波从波导区左端输入，从波导区右端输出，泵浦光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，泵浦光沿着垂直于X-Z平面的方向分别入射到点缺陷和椭圆缺陷谐振腔内。
本发明基于非线性光子晶体的双波长太赫兹波调制器的太赫兹波调制方法是：利用光子晶体两种谐振腔中缺陷模频率的动态变化来实现对太赫兹波的通、断调制；通过控制泵浦光的有无，使缺陷处的非线性光学介质的折射率发生快速变化，从而使缺陷谐振腔的缺陷模频率动态改变，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双波长太赫兹波调制器，尤其是一种可同时实现两种波长太赫兹波调制的光子晶体太赫兹波调制器。此调制器在二维正方晶格硅介质柱型光子晶体中，将线缺陷波导区、点缺陷谐振腔和椭圆缺陷谐振腔相结合，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，填充非线性材料的点缺陷谐振腔和椭圆缺陷谐振腔起着快速高效地谐振和选频作用。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，可达皮秒量级，可以满足未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。更重要的是，由于两种缺陷的引入，可同时实现两种波长的太赫兹波的调制，大大提高了调制器的效率。此结构的光子晶体太赫兹波调制器可灵活改变正方晶格光子晶体的各种参数、非线性有机聚合物的种类、波导区的分布、点缺陷和椭圆缺陷的尺寸等，因此可以设计其工作波长、消光比、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：正方晶格硅介质柱型光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3，椭圆缺陷谐振腔4，
图2为在无、有泵浦光情况下，点缺陷处缺陷模频率的动态变化图。
图3为在无、有泵浦光情况下，椭圆缺陷处缺陷模频率的动态变化图。
图4为本发明光子晶体太赫兹波调制器工作区的能量分布图。图4a为两种波长的太赫兹波都是“通”状态的示意图；图4b、c分别为只有一种波长的太赫兹波可通过的状态示意图；图4d为两种太赫兹波都不能通过的状态示意图。
具体实施方式
该非线性光子晶体太赫兹波调制器包括正方晶格硅介质柱型光子晶体、波导区2、点缺陷谐振腔3、椭圆缺陷谐振腔4；其中，正方晶格光子晶体1是沿X-Z平面呈正方形周期性分布的硅介质柱型光子晶体，在其中间引入线缺陷构成波导区2，在波导区2的上下两侧分别引入点缺陷谐振腔3和椭圆缺陷谐振腔4，太赫兹波从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出；泵浦光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到点缺陷谐振腔3和椭圆缺陷谐振腔4内。点缺陷谐振腔3和椭圆缺陷谐振腔4中填充非线性光学材料砷化镓(GaAs)。
本发明提供的基于非线性光子晶体的太赫兹波调制器由正方晶格光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔、椭圆缺陷谐振腔构成。其中正方晶格光子晶体是沿X-Z平面呈正方形周期性分布的硅介质柱型光子晶体，其硅介质柱的横截面为圆形，衬底材料为空气；波导区位于正方晶格光子晶体的中间，填充材料为空气；点缺陷谐振腔和椭圆缺陷谐振腔是由非线性光学材料填充而成，如砷化镓(GaAs)。太赫兹波从波导区的左端输入，波导区的右端输出。泵浦光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到谐振腔内；太赫兹波载频为3.61THz和4.09THz，泵浦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＝30μm，硅介质柱直径d＝10.8μm，硅介质柱折射率为3.4。点缺陷处和椭圆缺陷处填充非线性光学材料砷化镓。(砷化镓的折射率定义为N＝n-in’，包括实部与虚部两部分，其虚部的大小决定于泵浦光的波长与强度。砷化镓在太赫兹频段内的损耗机理为由于稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用，进而影响其折射率虚部。当砷化镓(GaAs)处于基态时，损耗几乎可以忽略不计，但其在太赫兹频段的折射率虚部随着泵浦光强的增加而增加，且其折射率实部基本保持不变。随着砷化镓(GaAs)内部载流子浓度从1015cm-3变化到1017cm-3，其虚部逐渐增到和实部相等，进而超过实部。当没有泵浦光入射时，砷化镓处于基态，在太赫兹波段损耗很小，可以忽略，即其虚部为0。当使用的泵浦光源(调制光源)波长为810nm，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。当没有泵浦光入射缺陷时，砷化镓的折射率为3.55；当使用泵浦光源(调制光源)波长为810nm，其入射强度为0.4μJ/cm2时，砷化镓折射率实部仍为3.55，虚部约为2.55。)点缺陷谐振腔的半径为2μm，椭圆缺陷谐振腔的长轴为30μm、短轴为13μm。该光子晶体平板厚度取30μm。
此缺陷模位移型太赫兹波调制器的工作原理如下：线缺陷的引入，实质是为太赫兹波的传输提供了波导，使频率范围落在光子禁带内的太赫兹波能通过线缺陷；点缺陷和椭圆缺陷的引入，实质上起一个太赫兹波谐振腔的作用，它可以对太赫兹波选频，使符合谐振频率(即缺陷模频率)的太赫兹波在缺陷处谐振。因此当没有泵浦光入射缺陷时，砷化镓的折射率为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中并耦合入点缺陷(椭圆缺陷)，并在点缺陷(椭圆缺陷)处产生谐振。当入射光在点缺陷(椭圆缺陷)处完全谐振时，几乎所有的入射光都被局域在点缺陷(椭圆缺陷)处，线缺陷的输出端口没有光输出，调制器表现为关。当使用泵浦光源(调制光源)波长为810nm，其入射强度为0.4μJ/cm2时，砷化镓折射率实部仍为3.55，虚部约为2.55，响应时间在ps量级。此时点缺陷(椭圆缺陷)处缺陷模消失，入射光在点缺陷(椭圆缺陷)处不能产生谐振，几乎所有的输入光经过线缺陷输出，调制器表现为开。
调制过程如下：当一束频率为3.61THz和4.09THz的TE模太赫兹波从调制器的线缺陷波导区入射时：
(1)点缺陷和椭圆缺陷处都不加泵浦光，两个缺陷处的折射率都为3.55，此时两种波长的光被各自局域在缺陷处，两种波长的光都不能通过。如图4a所示。
(2)点缺陷处加泵浦光，椭圆缺陷处不加泵浦光。此时波长为83.07μm的光被局域在点缺陷中，波长为73.396μm的光在调制器端口输出，如图4b所示。此时调制器输出的光强大约为0.948，响应时间为400ps，插入损耗为0.23dB。
(3)椭圆缺陷处加泵浦光，点缺陷处不加泵浦光。此时只有波长为73.396μm的光可在线缺陷端口输出，如图4c所示。此时调制器的透过率为0.938，响应时间为50ps，插入损耗0.28dB。
(4)点缺陷和椭圆缺陷处都加泵浦光，此时波长为83.07μm和73.396μm的光都可在线缺陷端口输出，如图4d所示。
Claims (3)
1.一种基于非线性光子晶体的双波长太赫兹波调制器，其特征在于该太赫兹波调制器包括正方晶格硅介质柱型光子晶体(1)、波导区(2)、点缺陷谐振腔(3)、椭圆缺陷谐振腔(4)；其中，正方晶格硅介质柱型光子晶体(1)是沿X-Z平面呈正方形周期性分布的硅介质柱型光子晶体，在其中间引入线缺陷构成波导区(2)，在波导区上下两端分别引入点缺陷谐振腔(3)和椭圆缺陷谐振腔(4)，在两种谐振腔中填充非线性光学材料砷化镓；太赫兹波从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；泵浦光沿着垂直于X-Z平面的方向入射到点缺陷谐振腔(3)和椭圆缺陷谐振腔(4)内。
2.根据权利要求1所述的基于非线性光子晶体的双波长太赫兹波调制器，其特征在于所述太赫兹波从波导区(2)左端输入，波导区(2)右端输出，泵浦光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，泵浦光沿着垂直于X-Z平面的方向分别入射到点缺陷谐振腔(3)和椭圆缺陷谐振腔(4)内。
3.一种如权利要求1所述基于非线性光子晶体的双波长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和椭圆缺陷的缺陷模频率的动态变化来实现分别对两种波长太赫兹波的通、断，从而实现调制；通过在缺陷处加或不加泵浦光，使缺陷处的非线性光学介质的折射率发生快速变化，从而使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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20110518 Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Contract record no.: 2016320000215 Denomination of invention: Optically controlled dual wavelength terahertz wave modulator and modulation method thereof Granted publication date: 20120704 License type: Common License Record date: 20161118 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Contract record no.: 2016320000215 Date of cancellation: 20180116 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20110518 Assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications Nantong Institute Limited Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Contract record no.: 2018320000057 Denomination of invention: Optically controlled dual wavelength terahertz wave modulator and modulation method thereof Granted publication date: 20120704 License type: Common License Record date: 20180314 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120704 Termination date: 20191130 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |