CN102393571B

CN102393571B - 高速光子晶体波导太赫兹调制器

Info

Publication number: CN102393571B
Application number: CN201110350710.3A
Authority: CN
Inventors: 范飞; 常胜江
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: CN102393571A

Abstract

本发明公开了一种高速光子晶体波导太赫兹调制器。在有线缺陷波导的硅光子晶体柱阵列表面镀上一层二氧化钒薄膜，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现出介质光子晶体波导的带隙性质；而当有激光辐照光子晶体柱表面时，二氧化钒薄膜发生相变，器件表现为金属光子晶体波导的带隙性质。由于同一结构的介质和金属光子晶体波导的导带是完全不同的，可以实现光控高速宽带太赫兹强度调制和频率调制。该太赫兹调制器调制带宽大，超过100GHz；调制方式灵活多样，可实现多工作窗口强度调制和频率调制；调制深度超过90％；响应时间短，调制速率达10Gbps；结构和调制方法简单，便于小型化和集成化，满足太赫兹通信系统的要求。

Description

高速光子晶体波导太赫兹调制器

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种高速光子晶体波导太赫兹调制器及其调制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1～10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。太赫兹通信具有频段资源丰富、带宽达、保密性好、抗电磁干扰，可实现室内短距离或空间保密无线通信，传输速率可达1～10Gbps等优点，因此太赫兹波在通信领域应用中具有独特的优势。而太赫兹调制器是太赫兹通信系统的关键核心器件。

近年来，众多的太赫兹调制器被提出，包括基于量子阱、光子晶体、半导体硅、超材料等的太赫兹调制器，按调制方式可以分为调幅、调相、调频等，按控制方式又可分为电控、磁控、光控、压电等类型。太赫兹调制器的关键技术指标是：工作中心频率、工作带宽、调制速率和响应时间、调制深度、插入损耗、传输损耗等。例如，一种基于一维光子晶体砷化镓缺陷的光控超快太赫兹强度调制器，其工作频率0.6THz，调制带宽16GHz，调制深度50％，响应时间130ps[L.Fekete et al.，Opt.Lett 32，680-682(2007)]。一种基于超材料的太赫兹振幅和相位调制器，其工作频率0.81THz，调制带宽约20GHz，调制深度55％，调制速率2MHz[H.T.Chen et al.，Appl.Phys.Lett 93，091117(2008)]。目前的太赫兹调制器存在以下问题：工作频率主要在低频、毫米波段；调制带宽窄，一般只有几个GHz；调制速率低，最高调制速率一般在MHz量级，无法发挥太赫兹波高载波频率大传输带宽的优势；调制深度小，一般在50％以内，并且这一指标随着调制速率和工作频率的升高而迅速下降。

现有能实现调制功能的材料在太赫兹波段十分有限，它们都往往伴随强烈的太赫兹吸收损耗；而如高阻硅、聚合物等低损耗的太赫兹材料载流子复合时间长、非线性系数小，难以实现高速、大调制深度的太赫兹调制。二氧化钒(VO₂)是一种相变铁电材料，它在温、光或电场下发生电介质到金属的转变(温度：临界温度340K，光照：皮秒或飞秒脉冲)，其电导率可以有3到5个数量级的变化。介质相时，太赫兹波能良好透过VO₂薄膜，金属相时，太赫兹波被VO₂薄膜反射。文献表明，用飞秒激光泵浦VO₂薄膜，其对太赫兹波的调制响应时间极短，小于1ps(1ps＝10¹²s)[S.B.Choi et al.，Appl.Phys.Lett 98，071105(2011)]。VO₂是一种非常有前途的太赫兹功能材料，尤其是高速调制器件方面。如何利用现有的太赫兹功能材料，研制出工作带宽大、调制速率快、调制深度大的太赫兹调制器是太赫兹通信系统中急需解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能对太赫兹波进行高速调制的光子晶体波导太赫兹调制器，解决背景技术中太赫兹调制器的调制带宽窄、调制速率低、调制深度小等关键技术问题。

本发明的技术方案为：在有线缺陷波导的硅光子晶体柱阵列表面镀上一层二氧化钒薄膜，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现出介质光子晶体波导的带隙性质；而当有激光辐照光子晶体柱表面时，二氧化钒薄膜发生相变，器件表现为金属光子晶体波导的带隙性质。由于同一结构的介质和金属光子晶体波导的导带是完全不同的，因此可以实现宽带强度调制和频率调制。本发明利用二氧化钒的电介质-金属相变性质将两种不同性质的光子晶体结合起来实现一种全新的光控高速太赫兹调制器件。

高速光子晶体波导太赫兹调制器包括：硅光子晶体柱阵列、二氧化钒薄膜、线缺陷、硅基底、太赫兹源、泵浦激光源，其中硅光子晶体柱阵列和线缺陷形成光子晶体波导，二氧化钒薄膜镀在硅光子晶体柱阵列表面。硅光子晶体柱中使用的硅为高阻硅，阻值6000Ω·cm以上。在高阻硅片上采用MEMS离子束深度蚀刻工艺得到硅光子晶体柱阵列，柱高大于100μm。在硅光子晶体柱表面镀二氧化钒薄膜的工艺方法为：采用磁控溅射方法在加工好的硅光子晶体柱上镀一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜。二氧化钒薄膜在介质相时的电导率小于0.1(Ω·cm)^-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)^-1，厚度大于800nm。使用太赫兹源为宽带太赫兹源，由太赫兹光电导天线产生，辐射频率0.1～3THz。用于光控调制的激光光源为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，泵浦光辐照到光子晶体上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm²。

高速光子晶体波导太赫兹调制器的调制方法是：由超短脉冲激光发出的飞秒或皮秒脉冲侧向辐照到镀二氧化钒薄膜的光子晶体波导表面，通过不同辐照强度对该太赫兹调制器进行强度调制和频率调制。本太赫兹调制器根据泵浦光辐照强度的范围大小可以实现三种调制：(1)在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现出硅光子晶体的带隙性质，导带范围内频率的太赫兹波可以在光子晶体线缺陷波导中传播，其透过率大于90％。随着泵浦光强的增大，其透过率下降，泵浦光强至0.5mJ/cm²量级时，太赫兹波不能通过光子晶体波导，这一过程实现对太赫兹波从带通导光到损耗的强度调制。(2)泵浦光强继续增强，二氧化钒薄膜开始转化为金属相，光子晶体表现出金属光子晶体的带隙性质，在新的导带频率范围内太赫兹波又可以在光子晶体线缺陷中传输，泵浦光强至15mJ/cm²量级时，通带透过率大于90％，这一过程实现对太赫兹波从损耗到新的通带导光的强度调制。(3)以上两个过程中，由于同一结构的介质光子晶体波导和金属光子晶体波导的带隙是完全不同的，因此通带所在的频率范围发生明显变化，使得在无泵浦光和高强度泵浦的两个不同状态下，该太赫兹调制器透过不同频率的太赫兹波，实现频率调制。

本发明的优点是：该太赫兹调制器调制带宽大，超过100GHz；调制方式灵活多样，可实现多工作窗口强度调制和频率调制；调制深度超过90％；响应时间短，调制速率达10Gbps；通带透过率高，传输损耗小；结构和调制方法简单，便于小型化和集成化，满足太赫兹通信系统的要求。

附图说明

图1(a)是高速光子晶体波导太赫兹调制器的上视图和前视图；

图1(b)是高速光子晶体波导太赫兹调制器的三维示意图；

图2(a)是无激光泵浦时镀二氧化钒薄膜的光子晶体波导的带隙结构图；

图2(b)是泵浦大于10mJ/cm²时镀二氧化钒薄膜的光子晶体波导的带隙结构图；

图3(a)是不同辐照下高速光子晶体波导太赫兹调制器从介质光子晶体波导到损耗过程的强度调制示意图；

图3(b)是不同辐照下高速光子晶体波导太赫兹调制器从损耗到金属光子晶体波导过程的强度调制示意图；

图3(c)是高速光子晶体波导太赫兹调制器从介质光子晶体波导到金属光子晶体波导的频率调制示意图；

图4(a)是0.9THz频率下无激光泵浦时，高速光子晶体波导太赫兹调制器的稳态传输示意图，表现出介质光子晶体波导导带外的传输性质；

图4(b)是0.9THz频率下泵浦大于10mJ/cm²时，高速光子晶体波导太赫兹调制器的稳态传输示意图，表现出金属光子晶体波导导带内的传输性质。

图中：硅光子晶体柱1、二氧化钒薄膜2、光子晶体线缺陷波导3、硅基底4、太赫兹源5、超短脉冲泵浦光6。

具体实施方式

本发明的工作过程以工作在1THz附近的高速光子晶体波导太赫兹调制器实例说明：

如图1(a)所示，硅光子晶体柱中使用的硅为高阻硅，阻值6000Ω·cm以上。在0.4mm厚双面抛光高阻硅片上采用MEMS离子束深度蚀刻工艺得到硅光子晶体柱阵列，柱高100μm，柱直径100μm，相邻柱间距160μm，硅基底厚300μm，长10mm，宽4mm。采用磁控溅射方法在加工好的硅光子晶体柱上镀一层金属钒，再使用氧化法使金属钒转化为二氧化钒薄膜。二氧化钒薄膜在介质相时的电导率小于0.1(Ω·cm)^-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)^-1，厚度为1μm。如图1(b)所示，中心波长800nm掺钛蓝宝石锁模激光器作为泵浦源，脉宽100fs，泵浦光辐照到光子晶体上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm²。使用的太赫兹源为宽带太赫兹源，由同样的飞秒激光泵浦太赫兹光电导天线产生，辐射频率0.1～3THz。

由掺钛蓝宝石锁模激光器发出的飞秒脉冲辐照到高速光子晶体波导太赫兹调制器表面，通过不同辐照强度对该太赫兹调制器进行强度调制和频率调制。如图3(a)所示，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，其电导率为0.1(Ω·cm)^-1，器件表现出硅光子晶体的带隙性质(如图2(a))，0.68～0.8THz和1.02～1.25THz频率范围的太赫兹波可以在光子晶体线缺陷波导中传播，其透过率大于90％。随着泵浦光强的增大，其透过率下降，泵浦光强至0.5mJ/cm²量级时，二氧化钒薄膜电导率增加到50(Ω·cm)^-1，太赫兹波因为损耗而不能通过光子晶体波导(如图4(a))，这一过程可以实现对太赫兹波从带通导光到损耗的强度调制。如图3(b)所示，泵浦光强继续增强，二氧化钒薄膜开始转化为金属相，光子晶体表现出金属光子晶体的带隙性质(如图2(b))，在0.8～1.5THz频率范围内太赫兹波又可以在光子晶体线缺陷中传输(如图4(b))，泵浦光强至15mJ/cm²量级时，通带透过率大于90％，这一过程实现对太赫兹波从损耗到新的通带导光的强度调制。如图3(b)所示，以上两个过程中，由于同一结构的介质光子晶体和金属光子晶体的带隙是完全不同的，因此通带所在的频率范围发生明显变化，使得在无泵浦光和高强度泵浦光两种不同条件下，该太赫兹调制器透过不同频率的太赫兹波，实现通带从0.68～0.8THz到0.8～1.02THz的频率调制。二氧化钒在飞秒激光泵浦下电介质-金属相变响应时间小于1ps，因此器件的调制速率达10Gbps。

该工作在1THz附近的高速光子晶体波导太赫兹调制器可以实现：0.68～0.8THz、1.02～1.25THz和0.8～1.5THz三个频率窗口的强度调制，通带从0.68～0.8THz到0.8～1.02THz的频率调制，调制带宽均超过100GHz，调制深度超过90％，调制速率达10Gbps，解决了太赫兹调制器的调制带宽窄、调制速率低、调制深度小等关键技术问题，满足高速宽带太赫兹通信的要求。

Claims

1.一种高速光子晶体波导太赫兹调制器，其特征在于包括硅光子晶体柱阵列(1)、二氧化钒薄膜(2)、线缺陷(3)、硅基底(4)、太赫兹源(5)、泵浦激光源(6)，其中硅光子晶体柱阵列(1)和线缺陷(3)形成光子晶体波导(7)，二氧化钒薄膜(2)镀在硅光子晶体柱阵列(1)表面。

2.根据权利要求1所述的高速光子晶体波导太赫兹调制器，其特征在于硅光子晶体柱阵列(1)中使用的硅为高阻硅，阻值6000Ω·cm以上；硅光子晶体柱高大于100μm。

3.根据权利要求1所述的高速光子晶体波导太赫兹调制器，其特征在于在硅光子晶体柱(1)表面镀二氧化钒薄膜(2)，其厚度大于800nm；二氧化钒薄膜(2)在介质相时的电导率小于0.1(Ω·cm)^-1，在金属相时的电导率大于2000(Ω·cm)^-1。

4.根据权利要求1所述的高速光子晶体波导太赫兹调制器，其特征在于泵浦激光源(6)为飞秒或皮秒脉宽的超短脉冲激光器，泵浦光辐照到光子晶体上的光斑直径大于0.5mm，泵浦光能量密度不小于10mJ/cm²。

5.一种使用权利要求1所述的高速光子晶体波导太赫兹调制器的调谐方法，其特征在于由泵浦激光源(6)发出的飞秒或皮秒脉冲侧向辐照到镀二氧化钒薄膜的光子晶体波导表面，通过不同辐照强度对该太赫兹调制器进行强度调制和频率调制。

6.根据权利要求5所述的高速光子晶体波导太赫兹调制器的调谐方法，其特征在于根据泵浦光辐照强度的大小可以实现三种调制方式：

第一，在室温下无激光辐照时二氧化钒薄膜为介质相，器件表现出硅光子晶体的带隙性质，导带范围内频率的太赫兹波可以在光子晶体线缺陷波导中传播，其透过率大于90％；随着泵浦光强的增大，其透过率下降，泵浦光强至0.5mJ/cm²量级时，太赫兹波不能通过光子晶体波导，这一过程实现对太赫兹波从带通导光到损耗的强度调制；

第二，泵浦光强继续增强，二氧化钒薄膜开始转化为金属相，光子晶体表现出金属光子晶体的带隙性质，在新的导带频率范围内太赫兹波又可以在光子晶体线缺陷中传输，泵浦光强至15mJ/cm²量级时，通带透过率大于90％，这一过程实现对太赫兹波从损耗到新的通带导光的强度调制；

第三，由于同一结构的介质和金属光子晶体波导的带隙是完全不同的，因此通带所在的频率范围发生明显变化，使得在无泵浦光和高强度泵浦的两个不同状态下，该太赫兹调制器透过不同频率的太赫兹波，实现频率调制。