CN109976064B - 一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪 - Google Patents

一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫‑曾德干涉仪，由输入波导、分束器、相位调制臂、合成器和输出波导构成，其特征在于：所述的相位调制臂为2个结构、材料完全一样的相位调制臂，并且每个相位调制臂都设有一个完全一致的超材料谐振腔，所述相位调制臂具有错向调节机制，其中一支相位调制臂为正向调节，另一支相位调制臂为反向调节。本发明不仅体积小，能更好地调控电磁波的强度和相位，同时引入错向调节机制，其工作效率、调制速率、探测灵敏度更加优良。

Description

一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪
技术领域
本发明涉及光通信领域和光电信号处理技术领域，尤其涉及一种马赫-曾德干涉仪及其设计方法。
背景技术
马赫-曾德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer，简写：MZI）作为一种基础光学元器件，不仅可作为一种单独的光学元件，同时有可用于制作开光、衰减器、耦合器、波分复用器、探测器等光电子器件。随着光通信技术和探测技术的快速发展，这些光学元器件在整个通信系统和探测领域中的作用越来越大，同时应用也越来越广泛。
马赫-曾德干涉仪通常由输入波导、分束器、相位调制臂、合成器和输出波导构成。其基本过程为：入射光经输入波导进入分束器后，转化为两束或多束强度相同的光，其中分束后的光进入相位调制臂调制后分别产生不同的相移，最后进入合束器合并为一束光通过输出波导输出。传统的马赫-曾德干涉仪，利用热光效应、电光效应、等离子色散效应调节单调制臂或多调制臂的有效折射率，让光在不同调制臂中传输产生不同的光程差，进而实现相位差，最终达到输出光场的干涉相长或干涉相消的目的。
这种利用光程差引起相位差产生干涉相长和相消的方法导致整个器件长度（或体积）普遍较大、效率和灵敏度非常有限。此外，由于太赫兹波段电磁波与自然物质的相互作用非常微弱，导致传统的干涉仪通常在太赫兹波段的工作效率低下。这些问题使得现有马赫-曾德干涉仪的应用大大受限。
超材料又称之为人工材料，是由一些亚波长的结构单元构成，其单元结构尺寸通常小于工作波长的六分之一。与自然界物质相比，超材料能够与电磁波产生强烈的相互作用产生电磁共振现象，通过合理地设计电磁共振单元的形状尺寸，超材料能够与各个波段电磁波发生强烈的相互作用。因此，相对于传统的光学元件，超材料元器件的体积更小，效率和性能也会更高，对未来光学领域的发展产生深远影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种马赫-曾德干涉仪及其设计方法，该马赫-曾德干涉仪带有超材料谐振腔，可适用于太赫兹波段。
本发明所采用的技术方案是：一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪，由输入波导、分束器、相位调制臂、合成器和输出波导构成，其特征在于：所述的相位调制臂为2个结构、材料完全一样的相位调制臂，并且每个相位调制臂都设有一个完全一致的利用亚波长的结构单元构建的超材料谐振腔，所述相位调制臂具有错向调节机制，其中一支相位调制臂为正向调节，另一支相位调制臂为反向调节。
所述超材料谐振腔采用等离子物质和介质制成。
所述超材料谐振腔的等离子物质是金属或掺杂半导体，优选掺杂半导体。
所述超材料谐振腔的介质可为本征半导体或陶瓷，优选本征半导体。
所述超材料谐振腔的超材料是二维结构超材料，或三维结构超材料，优选三维层状型半导体超材料。
所述三维层状型半导体超材料由本征GaAs层和掺杂GaAs层交错堆叠构建而成，其中掺杂层的浓度要求在1×1017cm-3以上，本征层和掺杂层的单层厚度在Y方向的厚度要求为1μm~100μm，同时要求小于工作波长的十分之一，整个超材料谐振腔的层数不低于50层。
所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，可让一个调制臂参与完成调制或探测，也可用两个臂同时参与完成调制或探测。
所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，可对入射电磁波的相位差和强度差分别进行调控，也可二者同时调控。
所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，调控场或探测场可以是电场、光场或温度场等。
本发明通过调控超材料谐振腔单元共振结构的的形状、尺寸、构成物质光学性质等参数，来控制电磁波的透射率和相位。该透射率和相位可以通过时域或频率有限元差分等模拟仿真计算确定。层状复合型超材料在垂直于层面方向介电常数ε c满足，
Figure 625714DEST_PATH_IMAGE002
其中，ε i 和d i 分别表示各层的介电常数和层厚度，d表示整个层状复合型超材料在垂直于层面方向的总厚度。通过式子（1）与式子（2），可计算获取所述层状复合型超材料垂直于层面方向介电常数ε c ，并可进一步近似计算得到其对应的折射率n c ，
Figure 339592DEST_PATH_IMAGE004
计算结果表明，当入射电磁波在垂直于层面方向存在分量时，介电谱或折射率谱可表现出明显的共振现象，即能够在特定波长（共振波长）处产生显著的电磁共振响应。
本发明超材料干涉仪相对于传统的MZI，不仅体积小，对电磁波的强度和相位具有更强的调控能力；与现有的超材料干涉仪相比，本发明引入了错向调节机制，一支调制臂正向调节，一支调制臂反向调节，能够有效提升其性能，其工作效率、调制速率、探测灵敏度更加优良。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是超材料谐振腔的截面图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容和特点，下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。
从图1可知，本发明一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪，由输入波导1、分束器2、相位调制臂、合成器5和输出波导6构成，所述的相位调制臂为2个，为上调制臂3和下调制臂4，2个相位调制臂的结构形状、材料性质等参数都完全一样，并都设有一个完全一致的利用亚波长的结构单元构建的超材料谐振腔，所述相位调制臂具有错向调节机制，其中一支相位调制臂为正向调节，另一支相位调制臂为反向调节。所述超材料谐振腔构成物质中的等离子物质可以是金属或掺杂半导体，超材料谐振腔其余部分是介质。所述超材料谐振腔的超材料是二维结构超材料，或是三维结构超材料，优选选择层状型三维超材料。电压U 1 和U 2 分别为上调制臂3和下调制臂4的调控电压。
从图2可知，本发明中，构成超材料谐振腔的三维层状型半导体超材料具体是由本征GaAs层和掺杂GaAs层交错堆叠构建而成，其中掺杂层的浓度要求在1×1017cm-3以上，如图2所示。本征层和掺杂层的单层厚度在Y方向的厚度要求在1μm与100μm之间，同时要求小于工作波长的十分之一；另外，整个超材料谐振腔的层数不低于50层。
根据有效媒质近似理论，本发明的层状复合型超材料在垂直于层面方向介电常数ε c满足，
Figure 181646DEST_PATH_IMAGE002
其中，ε i 和d i 分别表示各层的介电常数和层厚度，d表示整个层状复合型超材料在垂直于层面方向的总厚度。通过式子（1）与式子（2），可计算获取所述层状复合型超材料垂直于层面方向介电常数ε c ， 并可进一步近似计算得到其对应的折射率n c ，
Figure 373593DEST_PATH_IMAGE004
计算结果表明，当入射电磁波在垂直于层面方向存在分量时，介电谱或折射率谱可表现出明显的共振现象，即能够在特定波长（共振波长）处产生显著的电磁共振响应。
本发明的相位调制臂可通过常规半导体工艺实现，具体包含：在衬底上进行第一周期的外延生长、掩模刻蚀、离子注入。待稳定后，进行第二周期的生长、刻蚀、注入，如此循环直到完成该结构的制备，最后在调制臂3和调制臂4两侧上开引线孔制作金属电极，用以连接外部电压源。
根据半导体和电路理论，在外部正向电压源U 1 的电场作用下，上调制臂中掺杂半导体自由载流子流向本征层，此时等离子层厚度增加，本征层的厚度减小；根据式（1）、式（2）和式（3）可知，由于超材料电磁共振效应，表现为：此时上调制臂3中超材料谐振腔有效介电常数（或折射率）将会显著增加；与此同时，若外部电压源U 2 的为负向电压，调制臂中掺杂半导体自由载流子部分被复合，此时等离子层厚度减小，而本征层的厚度增加；同样地，根据式（1）、式（2）和式（3）可知，由于超材料电磁共振效应，表现为：此时下调制臂4中有效介电常数（或折射率）将显著减小。另外，根据谐振腔电磁共振理论可知，由于上、下谐振腔的有效折射率均发生显著变化，且变化趋势相反，由于干涉相长（或干涉相消）效应，其内部电磁波将进一步被增强（或削弱）。因此，经过两层“预处理”（即：超材料共振预处理和调制臂谐振预处理）的电磁波进入合束器5合成后，通过输出波导6输出的电磁波强度，相对于调控前，将发生更加显著的变化，即实现了一种高效调制或探测的目的。
由以上的分析可知：在本发明中，利用亚波长的结构单元构建的层状型半导体超材料太赫兹波段马赫-曾德干涉仪，其上、下调制臂分别应用了双重共振效应，一为超材料电磁共振，另一为谐振腔光学谐振，对电磁波进行了两级“预处理”，这种双重错向互补调控机制，让调控或探测所需载流子的变化更少，相应的体积也可更小，也使得载流子的产生和复合更快，因此，本发明实现了一种体积小、灵敏度高、调制速率快的太赫兹波段马赫-曾德干涉仪。
最后应说明的是：以上实施仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于超材料谐振腔的太赫兹马赫-曾德干涉仪，由输入波导、分束器、相位调制臂、合成器和输出波导构成，其特征在于：所述的相位调制臂为2个结构、材料完全一样的相位调制臂，并且每个相位调制臂都设有一个完全一致的利用亚波长的结构单元构建的超材料谐振腔，所述相位调制臂具有错向调节机制，其中一支相位调制臂为正向调节，另一支相位调制臂为反向调节；所述超材料谐振腔的超材料为三维层状型半导体超材料，由本征GaAs层和掺杂GaAs层交错堆叠构建而成，其中，在调控或探测过程中，外部激励作用时，所述本征层和掺杂层的厚度变化方向相反。
2.根据权利要求1所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述超材料谐振腔采用等离子物质和介质制成。
3.根据权利要求2所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述等离子物质是金属或掺杂半导体。
4.根据权利要求2所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述介质为本征半导体或陶瓷。
5.根据权利要求1所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述三维层状型半导体超材料中掺杂层的浓度要求在1×1017cm-3以上，本征层和掺杂层的单层厚度在Y方向的厚度要求为1μm~100μm，同时要求小于工作波长的十分之一，整个超材料谐振腔的层数不低于50层。
6.根据权利要求1所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，让一个调制臂参与完成调制或探测，或用两个臂同时参与完成调制或探测。
7.根据权利要求1所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，可对入射电磁波的相位差和强度差分别进行调控，或对二者同时调控。
8.根据权利要求1所述的太赫兹马赫-曾德干涉仪，其特征在于：所述马赫-曾德干涉仪在工作过程中，调控场或探测场是电场、光场或温度场。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW550432B (en) * 1999-09-10 2003-09-01 L3 Optics Inc Low drive voltage optical modulator
CN103487889A (zh) * 2013-08-12 2014-01-01 上海交通大学 基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构
CN105092531A (zh) * 2015-08-31 2015-11-25 浙江大学 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器
CN105241844A (zh) * 2015-10-22 2016-01-13 浙江大学 基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9297638B1 (en) * 2014-10-21 2016-03-29 Sandia Corporation Two-path plasmonic interferometer with integrated detector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW550432B (en) * 1999-09-10 2003-09-01 L3 Optics Inc Low drive voltage optical modulator
CN103487889A (zh) * 2013-08-12 2014-01-01 上海交通大学 基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构
CN105092531A (zh) * 2015-08-31 2015-11-25 浙江大学 基于双环谐振腔辅助的马赫-曾德尔干涉仪光学生物传感器
CN105241844A (zh) * 2015-10-22 2016-01-13 浙江大学 基于多环辅助的马赫‐曾德尔干涉仪光学生物传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Metamaterial Waveguide Devices for Integrated Optics;Tomohiro Amemiya等;《Materials》;20170905;全文 *

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