新型高速調制太赫茲波調制器理論研究

趙國中，陳鶴鳴

（南京郵電大學 光電工程學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

太赫茲（THz，Terahertz）波處于微波和紅外光波之間的電磁波，頻率位于0.1～10 THz。太赫茲波在無線傳輸速度上可以達到10 GB/s，比當今使用的寬帶技術快幾百至一千多倍，能夠解決對未來高速率無線通信的需求，因此太赫茲波調制器作為太赫茲波段無線通信系統中的重要部件，具有廣闊的應用前景和實際價值[1]。

本文設計出一種基于復式三角晶格光子晶體聚苯胺填充材料的太赫茲波調制器。引入點、線缺陷，利用點缺陷處聚苯胺的光控特性實現點缺陷處的缺陷模的動態遷移，實現對太赫茲波的通、斷調制。仿真結果表明該調制器與現有的太赫茲波調制器相比，具有響應時間短、調制速率高等優點。

1 調制器結構和調制機理

1.1 調制器結構

圖1為本文提出的復式三角晶格光子晶體太赫茲波調制器。晶格常數a=30 μm，由21×23個介質柱組成。介質柱為圓形高純硅，在太赫茲波段折射率為3.4，損耗可忽略。圓形介質柱半徑r=5 μm，方形介質柱邊長為b=9 μm。基底介質為空氣，其在太赫茲波段的折射率為1.0，點缺陷處填充聚苯胺材料，點缺陷尺寸為R=2.2 r。

如圖1所示，在完整復式三角晶格光子晶體結構的中心引入一條線缺陷，線缺陷類似于傳輸太赫茲波的波導。在線缺陷的旁邊引入一個點缺陷，主要用于對太赫茲波進行選頻，使符合諧振頻率（即缺陷模）的太赫茲波被限制在點缺陷處。點缺陷中填充聚苯胺材料，其特性是外部未施加泵浦光時，聚苯胺的折射率實部為1.50；施加泵浦光激勵時，外加的調制激勵光源采用1064 nm 的YAG激光器，泵浦光強為30 GW/cm2，聚苯胺的折射率 n變為1.55[2-3]。這種特性能夠通過對點缺陷處的缺陷模的光控來實現對點缺陷處的太赫茲波的“通、斷”調制。

圖1 新型高速調制的太赫茲波調制器結構模型

1.2 調制機理

圖2給出了該調制器的基本原理示意圖，實線表示的是光子帶隙和缺陷模頻率原位置，虛線表示的是調制后缺陷模頻率的位置。

圖2 新型高速調制的太赫茲波調制器原理

如圖2所示，對于點、線缺陷光子晶體，原本在帶隙中形成的點、線缺陷共振缺陷模，位于缺陷頻率處的信號光頻率原先可以通過調制器，即圖2中實線表示的“通”調制；圖2所示虛線為缺陷模遷移原理實現調制后的缺陷模位置，點、線缺陷的共振缺陷模頻率的位置隨外界激勵的改變而發生動態遷移，信號光頻率不再處于缺陷態處，因此信號光便不能通過調制器，實現“斷”調制。

2 仿真結果分析

利用時域有限差分法（FDTD）仿真計算圖1所示的太赫茲波調制器的性能。調制器由21×23個硅介質柱組成，厚度設計為5個晶格常數，晶格常數 a=30 μm，尺寸為630μm×690μm×150μm，調制器四周設有完美匹配層（PML）。

2.1 太赫茲調制器的調制過程

當點缺陷處無泵浦光時，聚苯胺的線性折射率為1.50，調制器處于“通”的狀態，利用 RSoft軟件中的FullWAVE模塊仿真可以得到點缺陷處的缺陷模頻率，如圖3所示（縱坐標的數量級為104）。

圖3 無泵浦光時的缺陷模

由圖3可知，點缺陷處的缺陷模波長為73.846μm,可調制的載波頻率為4.06 THz，品質因子Q值為254。頻率為4.06 THz的太赫茲載波信號在點缺陷處無法諧振，因而無法通過調制器。

當30 GW/cm2的泵浦光強打在點缺陷上時，聚苯胺的折射率變為1.55，原本可通過的4.06 THz載波信號無法再調制，調制器處于“斷”的狀態，利用RSoft軟件中的FullWAVE模塊仿真可以得到點缺陷處的缺陷模頻率遷移圖，如圖4所示（縱坐標的數量級為104）。

圖4 外界泵浦光激勵后缺陷模遷移

由圖4可知，當30 GW/cm2的泵浦光強入射在點缺陷上，缺陷模頻率發生了動態遷移，缺陷模波長從73.846 μm 遷移至74.653 μm（對應頻率 4.01 THz）。頻率為4.06 THz的太赫茲載波信號在點缺陷處無法再次諧振。

2.2 太赫茲波調制器的性能分析

將太赫茲波源設置為波長為4.06 THz的連續波調制，幅度為1，監視器設置在調制器的出口處。圖5和圖6為點缺陷不加泵浦光，調制器表現為“通”時，穩態太赫茲波場強 Ey分布圖和時域穩態響應圖。圖7和圖8為點缺陷處加泵浦光，調制器表現為“斷”時，穩態太赫茲波場強Ey分布圖和時域穩態相應圖（圖6、圖8的橫坐標數量級為1010）。

圖5 “通”狀態下的穩態場強分布

圖6 “通”狀態下的時域穩態響應

圖7 “斷”狀態下的穩態場強分布

圖8 “斷”狀態下的時域穩態響應

由圖5和圖6可知，未施加泵浦光激勵，調制器達到穩定“通”狀態時，4.06 THz波的透過率為0.93114；由圖7和圖8可知，施加泵浦光激勵，調制器達到穩定“斷”狀態時，太赫茲波的透過率為0.00629。根據調制器的插入損耗、消光比[4]的定義，當入射波長為4.06 THz時，調制器的插入損耗值為0.31 dB，消光比約為21.7 dB。

由圖 6和圖 8所知，基于聚苯胺材料的太赫茲波調制器達到 “通”狀態所需的穩定時間約為100 ps，達到“斷”狀態所需的穩定時間約為80 ps，“通”狀態的穩定時間比“斷”狀態的穩定時間長。因此基于聚苯胺材料的太赫茲波調制器的穩定時間決定于“通”狀態的穩定時間，即100 ps。非線性光控材料聚苯胺的受泵浦光調制的響應時間約為飛秒量級[2-3]，因此太赫茲波調制器的整體響應時間為100 ps，因此調制器的調制速率最高能達10 GHz。

3 結語

本文提出了一種新型調制速率高的太赫茲波調制器。引入點、線缺陷結構，在點缺陷處填充光控非線性材料聚苯胺。通過施加泵浦光來改變其折射率，改變點缺陷處的缺陷模，從而實現對不同太赫茲波長“通、斷”調制的目的。仿真結果表明:該調制器對4.06 THz的入射太赫茲波調制的插入損耗分別為0.31 dB，消光比為和21.7 dB，響應時間為100 ps，調制速率為10 GHz。與目前研究的各類光子晶體太赫茲調制器相比，這種基于復式三角晶格光子晶體的聚苯胺材料的太赫茲波調制器具有響應時間短和調制速率高的優點，在將來的高速太赫茲通信系統中[5-7]具有重要的應用價值。

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