CN104267462A - 环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，该光子晶体滤波器包括正方晶格光子晶体(1)、输入波导(2)、环形腔(3)、输出波导(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，在正方晶格光子晶体(1)中设有环形腔(3)，环形腔包括内部介质柱(5)和四个散射介质柱(6)；输入波导(2)与输出波导(4)是垂直关系，作为信号光的太赫兹波从输入波导(2)的底端输入，从输出波导(4)的左端输出。通过分析环形腔不同结构参数对透射谱的影响，改变散射介质柱和内部介质柱的半径，减少波导与环形腔之间的散射损耗，达到最佳滤波效果，Q值高，透过率也高。

Description

环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器
技术领域
本发明是一种太赫兹波滤波器(光子晶体结构)，采用新型的环形腔结构，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
随着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，位于毫米波与红外线之间，是电子学与光子学之间的过渡区域，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。太赫兹波技术和光子晶体技术相结合为设计太赫兹波功能器件提供了新的思路和方法。由波导和谐振腔构成的平面耦合结构已经成为一种普遍采用的滤波器结构。环形腔由于可实现滤波、耦合、分束以及实现WDM功能等，吸引了各国研究者的广泛关注。环形腔提供了大小的可拓展性，结构简单，集成度高，灵活性强等优点。
随着THz技术与光子晶体技术的不断发展，近年来人们提出了很多种不同结构的光子晶体THz滤波器。根据滤波器滤出波长的个数，现有的光子晶体THz滤波器分为两类：单波长光子晶体THz滤波器与多波长光子晶体THz滤波器，其中单波长光子晶体THz滤波器常常是在简单晶格光子晶体的基础上设计出来的；而多波长光子晶体THz滤波器常常由两种方法实现，一种是通过在复杂结构光子晶体中引入一个合适的点缺陷与相应线缺陷，实现单通道多波长滤波；另一种是通过在简单晶格光子晶体中引入多个点缺陷及线缺陷，从而实现多通道多波长滤波。
在光子晶体环形腔中，腔结构与波导的耦合作用受腔的结构和介质柱的折射率影响，增大或者减小部分腔内介质柱的半径，输出波导输出的波长也不同。波导和谐振腔之间靠近波导边缘的介质柱的排列的改变也可以提高波导和谐振腔的谐振波长和耦合效率，是提高光子晶体滤波器的效率的有效方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器。通过分析环形腔不同结构参数对透射谱的影响，改变散射介质柱和内部介质柱的半径，减少波导与环形腔之间的散射损耗，达到最佳滤波效果，Q值高，透过率也高。
技术方案：本发明的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器包括正方晶格光子晶体、输入波导、环形腔、输出波导；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，在正方晶格光子晶体中设有环形腔，环形腔包括内部介质柱和四个散射介质柱；输入波导与输出波导是垂直关系，作为信号光的太赫兹波从输入波导的底端输入，从输出波导的左端输出。
环形腔的内部介质柱是由4×3的矩形构成，在环形腔的四周有四个散射介质柱，使进入环形腔的光波能够更有效的传播。
所述的信号光以高斯波作为入射波，在输入波导中与环形腔发生耦合作用；采用4×3的内部介质柱，带有四个散射介质柱的环形腔的结构，当光波到达环形谐振腔时，由于谐振腔的局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率为3.59×1012Hz光波才可以产生共振，并耦合进入环形谐振腔，继而实现对波长为83.535μm的滤波。
本发明的环形腔结构THz波单波长滤波器的滤波原理是：当所有频率的光波由输入端口输入时，只有带隙内的频率的光波才可以在光子晶体波导中传播，而其他频率的光波由于反射、散射或者损耗作用而无法在波导内传播。当光波到达环形谐振腔时，因为谐振腔的局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率的光波才可以产生共振，并耦合进入环形谐振腔，继而得以输出。通过改变环形腔与波导之间的介质柱行数，以加强环形腔结构以及波导结构对光波能量的束缚，减少滤波过程中的散射损耗，从而提高环形腔的Q值和滤波器的滤波性能。
有益效果：本发明提出的一种新型环形腔结构THz波单波长滤波器。此滤波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、环形腔和输入波导相结合，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，通过调节环形腔的结构能够使某一特定光波进入负载波导，起到选择光波的作用。通过改变散射介质柱和内部介质柱的半径，减少波导与环形腔之间的散射损耗，从而提高了滤波器的滤波性能。此结构的光子晶体滤波器可灵活改变正方晶格光子晶体的各种参数、环形腔的结构和大小、内部介质柱和散射介质柱的尺寸等，因此可以根据需要设计出不同工作波长的滤波器。
附图说明
图1为本发明新型环形腔结构THz波单波长滤波器的结构图，图中有：正方晶格硅介质柱型光子晶体1、输出波导2、环形腔3、输出波导4、内部介质柱5、散射介质柱6。
图2为当太赫兹波源使用高斯脉冲波源打入激光时，得出该滤波器的透射谱，
图3为波长为83.535μm的光波入射时的时域稳态响应图，
图4为对应的稳态场强分布图。
具体实施方式
本发明的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器包括正方晶格光子晶体1、输入波导2、环形腔3、输出波导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，在正方晶格光子晶体1中设有环形腔3，环形腔包括内部介质柱5和四个散射介质柱6；输入波导2与输出波导4是垂直关系，作为信号光的太赫兹波从输入波导2的底端输入，从输出波导4的左端输出。
环形腔的内部介质柱5是由4×3的矩形构成，在环形腔的四周有四个散射介质柱6，使进入环形腔3的光波能够更有效的传播。内部介质柱5，通过改变散射介质柱和内部介质柱的半径，减少波导与环形腔之间的散射损耗，从而提高了滤波器的滤波性能。
所述的信号光以高斯波作为入射波，在输入波导2中与环形腔3发生耦合作用；采用4×3的内部介质柱，带有四个散射介质柱的环形腔的结构，当光波到达环形谐振腔时，由于谐振腔的局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率为3.59×1012Hz光波才可以产生共振，并耦合进入环形谐振腔，继而实现对波长为83.535μm的滤波。
所述的环形腔3，具有局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率的光波才可以产生共振。
所述正方晶格光子晶体1、环形腔3、内部介质柱5和散射介质柱6，改变其尺寸大小能根据需要设计出不同工作波长的滤波器。
为了适应高速率、超宽带太赫兹波通信系统的发展，本发明提的滤波器，使其工作在太赫兹波段，具有实际的应用价值。采用波导和环形腔相结合的结构，实现对波长为83.535μm的滤波，插入损耗为0.1022dB，信道隔离度为27.68dB。
该环形腔结构THz波单波长滤波器包括正方晶格硅光子晶体1、输入波导2、环形腔3、输出波导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输入波导2，在输入波导2左侧引入内部介质柱是由4×3的矩形构成，带有四个散射介质柱的环形腔3，输出波导4位于环形腔3左侧并与输入波导2是垂直关系；太赫兹波从输入波导2的底端输入，从输出波导4的左端输出。
信号光是波长为83.535μm的太赫兹波，太赫兹波从输入波导的底端输入，从输出波导的左端输出。

Claims (6)

1.一种环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于该光子晶体滤波器包括正方晶格光子晶体(1)、输入波导(2)、环形腔(3)、输出波导(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，在正方晶格光子晶体(1)中设有环形腔(3)，环形腔包括内部介质柱(5)和四个散射介质柱(6)；输入波导(2)与输出波导(4)是垂直关系，作为信号光的太赫兹波从输入波导(2)的底端输入，从输出波导(4)的左端输出。
2.根据权利要求1所述的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于环形腔的内部介质柱(5)是由4×3的矩形构成，在环形腔的四周有四个散射介质柱(6)，使进入环形腔(3)的光波能够更有效的传播。
3.根据权利要求1或2所述的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于所述的内部介质柱(5)，通过改变散射介质柱和内部介质柱的半径，减少波导与环形腔之间的散射损耗，从而提高了滤波器的滤波性能。
4.根据权利要求1所述的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于所述的信号光以高斯波作为入射波，在输入波导(2)中与环形腔(3)发生耦合作用；采用4×3的内部介质柱，带有四个散射介质柱的环形腔的结构，当光波到达环形谐振腔时，由于谐振腔的局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率为3.59×1012Hz光波才可以产生共振，并耦合进入环形谐振腔，继而实现对波长为83.535μm的滤波。
5.根据权利要求1所述的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于所述的环形腔(3)，具有局域选频作用，只有符合腔内的谐振频率的光波才可以产生共振。
6.根据权利要求1所述的环形腔结构太赫兹波光子晶体滤波器，其特征在于所述正方晶格光子晶体(1)、环形腔(3)、内部介质柱(5)和散射介质柱(6)，改变其尺寸大小能根据需要设计出不同工作波长的滤波器。
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