CN109491012B - 基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征在于：在光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在输入波导的一端引入V形的两个波导臂，呈V形的两个波导臂与输入波导构成Y形，两个波导臂的另一端形成两平行输出波导，输入波导、波导臂及输出波导形成Y型波导线缺陷；将靠近Y型中间结点的其中一个波导臂的两侧的硅介质柱替换为光控点缺陷介质柱。本发明结构简单、体积小、灵活调节、易于集成。

Description

基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器
技术领域
本发明涉及太赫兹器件领域，具体涉及一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器。
背景技术
太赫兹波是指频率处于0.1到10THz(波长0.03到3mm)范围内的电磁波。其波段包含了远红外波段和微波波段，THz(太赫兹)波在雷达通信、医疗成像、安全检查、天文学、国防军事等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。发展太赫兹通信系统，需要低损耗的THz波导结构来实现THz波的高效传输，同时也需要高速开关、调制器、分束器及耦合器等关键功能器件。太赫兹波分束器是关键的功率分配无源器件，影响着固态源的输出功率。由于光子晶体具有较强光约束能力、低偏振敏感性、易于集成等优点，所以可广泛应用于设计高效率、低损耗、高集成、灵活的分束器。
近几年来，国内外学者对分光比可调的THz波分束器进行了大量的研究和探索，包括利用电控液晶材料折射率变化实现THz波分束器的通断、利用光控材料的折射率变化实现通断功能、通过温控聚甲基丙烯酸甲酯材料的折射率及半径变化实现分束可调的分束器、通过外加铁氧体及等离子体材料的磁场实现THz波分束器。其中基于光子晶体的光控THz波分束器具有结构简单、易于调节、灵活、易于集成等优势。在现有的THz波技术方案中，大部分只能控制分束的通断或分束调节的范围小，难以满足实际的需要。
非线性光学材料是一种能代替光子晶体结构中的部分普通电介质材料，这种材料具有优良的非线性光学性能和电光效应，它的透光波长范围较宽，本征时间响应短，能够实现快速响应，光学损伤阈值高，加工性能好等优点，可实现低损耗传输。利用这种三阶非线性克尔效应，既可以实现低损耗输出，也可以增加实用性。分光比可调的太赫兹波分束器是使得输入的信号分成能量不同且可变化的输出信号的器件。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，解决了现有太赫兹波分束器固定分光比、可调范围小难以满足实际需要的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征在于：在光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在输入波导的一端引入V形的两个波导臂，呈V形的两个波导臂与输入波导构成Y形，两个波导臂的另一端形成两平行输出波导，输入波导、波导臂及输出波导形成Y型波导线缺陷；将靠近Y型中间结点的其中一个波导臂的两侧的硅介质柱替换为光控点缺陷介质柱。
前述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述输入波导输入太赫兹波，控制施加到分束器的光强度大小，光控点缺陷介质柱的折射率发生变化，光控点缺陷介质柱和波导线缺陷形成共振耦合强度发生改变，两输出波导的分光比可调。
前述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述光控点缺陷介质柱的材料为非线性光学材料。
前述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述光控点缺陷介质柱的半径和光子晶体的介质柱的半径不同。
前述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述分束器的光强度由泵浦激光器控制。
前述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述光控点缺陷介质柱的折射率n随泵浦激光强度的变化为：
n＝n0+Δn＝n0+n2I
式中，n0为光控点缺陷介质柱的线性折射率，Δn为光控点缺陷介质柱的非线性折射率，I为泵浦光功率，n2为光控点缺陷介质柱的非线性折射率系数，等于(π×104×Rex(3))/(ε0c2n0 2)，x(3)为光控点缺陷介质柱的三阶非线性极化率，ε0为真空介电常数，c为真空中的光速。
本发明所达到的有益效果：本发明通过引入两个光控材料介质柱作为点缺陷，通过调节外加光强的大小，实现分光比可调的太赫兹波分束功能，可以实现在两个通道能量任意比的输出，具有结构简单、体积小、灵活调节、易于集成的特点，改变光子晶体结构的晶格常数，可以设计其他工作波长的分光比可调的太赫兹波分束器。
附图说明
图1为本发明太赫兹波分束器结构示意图；
图2为完整光子晶体结构下的TE模式的能带图；
图3为未加点缺陷对应的通道2的透射光谱图；
图4为未加点缺陷对应的通道3的透射光谱图；
图5为两通道透射率随点缺陷折射率变化关系图；
图6为实例一对应的稳态场强分布图；
图7为实例一对应的时域稳态响应；
图8为实例二对应的稳态场强分布图；
图9为实例二对应的时域稳态响应；
图10为实例三对应的稳态场强分布图；
图11为实例三对应的时域稳态响应。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，在完整的光子晶体中间横排移除部分介质柱4形成输入波导(即输入通道1)，在输入波导的一端引入呈V型的两个波导臂7，两个波导臂与输入波导呈Y型，两个波导臂的另一端形成两平行输出波导(即输出通道2、3)，输入波导、波导臂及输出波导形成Y型波导线缺陷。将靠近Y型中间结点的其中一个波导臂的两侧的两硅介质柱替换为光控点缺陷介质柱(5、6)，光控点缺陷介质柱与波导线缺陷形成共振耦合；输入波导1输入太赫兹波，控制施加到分束器的光强度大小，根据克尔效应，光控点缺陷介质柱的折射率会发生变化，光控点缺陷介质柱和波导线缺陷形成共振耦合强度会发生改变，因此两输出波导的分光比会发生相应的变化，从而实现两输出通道分光比可调。
光控点缺陷介质柱的材料为非线性光学材料，实例中采用树状大分子金属纳米复合材料，它是一种聚合物且具有三阶非线性克尔效应。光控点缺陷介质柱的半径和光子晶体的硅介质柱的半径不同。本实施例中，光控点缺陷介质柱的半径R1＝44.928μm，而光子晶体材料为硅，光子晶体硅介质柱半径R2＝37.44μm。
外加光强的大小由泵浦激光器控制光强大小，由于三阶非线性克尔效应，光泵浦强度增大的同时光控点缺陷介质柱的折射率将迅速变化。此时光控点缺陷介质柱的折射率n随泵浦激光强度的变化决定于：
n＝n0+Δn＝n0+n2I
式中，n0为光控点缺陷介质柱的线性折射率，Δn为光控点缺陷介质柱的非线性折射率，I为泵浦光功率，n2为光控点缺陷介质柱的非线性折射率系数，等于(π×104×Rex(3))/(ε0c2n0 2)，x(3)为光控点缺陷介质柱的三阶非线性极化率，ε0为真空介电常数，c为真空中的光速，Re表示实部，x为光控点缺陷介质柱的非线性极化率。树枝状金属纳米复合材料的三阶非线性极化率约为10-6～10-7esu，其线性折射率和三阶非线性极化率分别设定为1.3和1×10-6esu。不加光强时，它的折射率n＝1.3，根据克尔效应，通过外加光强至43.75mW/cm2，其折射率迅速增加至n＝2。为了具有良好的局域性质，需要选择合适的工作波长的THz波入射通道1，控制外加光强的过程中，光控点缺陷介质柱折射率发生变化，光控点缺陷介质柱和波导线缺陷形成共振耦合强度改变，因此通过施加不同的光强，两输出波导的分光比会发生相应的变化，从而实现分光比可调的太赫兹波分束器。若改变光子晶体结构的晶格常数，可以设计其他工作波长的分光比可调的太赫兹波分束器。
此基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器工作原理如下：
在完整的二维三角晶格硅光子晶体中，其能带图如图2所示，其能带图中存在一个TE模禁带，禁带的位置由晶格常数的值决定。在禁带内引入缺陷模式，可以设计分束器的工作波长。为了具有良好的局域性质，需要选择合适的工作波长，未加光控点缺陷的透射光谱图如图3、4所示，峰值最高对应的波长即为最优工作波长。在完整的硅光子晶体结构中移除中间横排部分介质柱形成输入波导，在输入波导一端引入呈V型波导臂，形成两平行输出波导，输入波分配输出端口能量的多少是由外加光强控制的。光控点缺陷介质柱为非线性光学材料，在没有加光强下，其折射率为1.3，施加光强折射率会增大。光控点缺陷介质柱半径R1比硅光子晶体介质柱半径R2大。施加不同大小的光强，通过光强的大小改变光控点缺陷介质柱的折射率，从而改变两输出通道分光比。两输出通道2、3透射率随点缺陷介质柱折射率变化如图5所示，由图看出光控点缺陷的折射率控制为1.52时可以实现两输出通道均分，将两个点缺陷折射率逐渐加大至2时，增加光控点缺陷的输出端口2和未加光控点缺陷的输出端口3的透射率之比为0.08，几乎可做到通道2无输出。若将光控点缺陷的折射率控制在1.52～2的范围，可以使得通道2的透射率低于通道3，且随折射率的增加，两通道的透射率相差越大，可以实现任意分光比(分光比是两通道透射率之比)可调。分束器由输入通道1输出TE波，控制光强的大小，改变输出通道2和输出通道3的分光比。
实例一：
当控制光泵浦源强度为I＝28.13mW/cm2，光控点缺陷的折射率变为n＝1.75，点缺陷介质柱半径R1＝44.928μm，点缺陷介质柱与光子晶体波导线缺陷发生共振耦合，能量的分束情况有所变化，入射波的能量在通道2处减少，通道3将会增大。图6为分光比为1:2的稳态场强分布，图7为分光比为1:2的时域稳态响应，图6可以看出入射的太赫兹波经过耦合后通道2的输出比通道3少，由图7可得通道2的透射率达到33.22％，通道3的透射率为66.45％，总透射率为99.67％，故通道2的透射率与通道3的透射率之比约为1:2，可以实现通道2和通道3的分光比为1:2，整体附加损耗为0.014dB。
实例二：
当控制光泵浦源强度为I＝33.125mW/cm2，光控点缺陷材料的折射率变为n＝1.83，点缺陷介质柱半径R1＝44.928μm，点缺陷介质柱与光子晶体波导线缺陷发生共振耦合，能量的分束情况有所变化，入射波的能量在通道2处减少，通道3将会增大。图8为分光比为1:3的稳态场强分布，图9为分光比为1:3的时域稳态响应，图8可以看出入射的太赫兹波经过耦合后相比实例一，通道2的输出比通道3少得多，由图9可得通道2的透射率达到25.3％，通道3的透射率为74.1％，总透射率为99.4％，故通道2的透射率与通道3的透射率之比约为1:3，可以实现通道2和通道3的分光比为1:3，整体附加损耗为0.026dB。
实例三：
当控制光泵浦源强度为I＝36.25mW/cm2，光控点缺陷材料的折射率变为n＝1.88，点缺陷介质柱半径R1＝44.928μm，点缺陷介质柱与光子晶体波导线缺陷发生共振耦合，能量的分束情况有所变化，入射波的能量在通道2处减少，通道3将会增大。图10为分光比为1:4的稳态场强分布，图11为分光比为1:4的时域稳态响应，图10可以看出入射的太赫兹波经过耦合后相比实例二，通道2的输出比通道3少得多，由图11可得通道2的透射率达到20％，通道3的透射率为79.6％，总透射率为99.6％，故通道2的透射率与通道3的透射率之比约为1:4，可以实现通道2和通道3的分光比为1:4，整体附加损耗为0.017dB。
综上所述，本发明通过在光子晶体中引入点缺陷形成微腔，引入线缺陷形成传输波导，利用光控点缺陷微腔和波导的共振耦合实现THz波的传输。通过控制光强的大小，改变光控点缺陷介质柱的折射率，使得输出通道分光比发生变化达到分光比可调的太赫兹波分束器的效果。本发明提出的分光比可调的光控太赫兹波分束器具有结构简单、体积小、灵活调节、易于集成的特点，且两通道的分束比最低为0.08，其中一个通道近似无输出，也可作为光开关使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征在于：在光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在输入波导的一端引入V形的两个波导臂，呈V形的两个波导臂与输入波导构成Y形，两个波导臂的另一端形成两平行输出波导，输入波导、波导臂及输出波导形成Y型波导线缺陷；将靠近Y型中间结点的其中一个波导臂的两侧的硅介质柱替换为光控点缺陷介质柱；
所述输入波导输入太赫兹波，控制施加到分束器的光强度大小，光控点缺陷介质柱的折射率发生变化，光控点缺陷介质柱和波导线缺陷形成共振耦合强度发生改变，两输出波导的分光比可调；
所述光控点缺陷介质柱的材料为具有克尔效应的非线性光学材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述光控点缺陷介质柱的半径和光子晶体的介质柱的半径不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述分束器的光强度由泵浦激光器控制。
4.根据权利要求3所述的一种基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器，其特征是：所述光控点缺陷介质柱的折射率n随泵浦激光强度的变化为：
n＝n0+Δn＝n0+n2I
式中，n0为光控点缺陷介质柱的线性折射率，Δn为光控点缺陷介质柱的非线性折射率，I为泵浦光功率，n2为光控点缺陷介质柱的非线性折射率系数，等于(π×104×Rex(3))/(ε0c2n0 2)，x(3)为光控点缺陷介质柱的三阶非线性极化率，ε0为真空介电常数，c为真空中的光速。
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Application publication date: 20190319

Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS NANTONG INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: Tunable optically controlled terahertz wave splitter based on photonic crystal

Granted publication date: 20200522

License type: Common License

Record date: 20201021

TR01 Transfer of patent right
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Effective date of registration: 20240117

Address after: No. 145-32 Xingfu South Road, Niushan Town, Donghai County, Lianyungang City, Jiangsu Province, 222000

Patentee after: Yang Wenjun

Address before: 211200 288 Qinhuai Road, Yung Yang Street, Lishui District, Nanjing, Jiangsu

Patentee before: Nanjing Ningqixing Information Technology Co.,Ltd.

Effective date of registration: 20240117

Address after: 211200 288 Qinhuai Road, Yung Yang Street, Lishui District, Nanjing, Jiangsu

Patentee after: Nanjing Ningqixing Information Technology Co.,Ltd.

Address before: 210046 No. 9 Wenyuan Road, Qixia District, Nanjing, Jiangsu Province

Patentee before: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS