可調諧KTP摻雜THz光子晶體濾波特性分析

于娜　王清　李靜

【摘 要】基于KTP晶體的電光效應，本文設計了一種基于光子晶體的可調諧THz濾波器。該結構通過在光子晶體線波導中添加點缺陷構成微腔，并在點缺陷中填充KTP晶體，通過外加電壓控制KTP晶體折射率，從而實現諧振頻率的可調。利用PWE和FDTD對該結構進行數值分析，結果表明該結構在4THz附近可以獲得帶寬為0.005THz的可調透射譜。

【關鍵詞】THz；光子晶體；可調諧濾波；KTP

0 引言

太赫茲（Terahertz，簡稱THz）波是頻率在0.1T-10THz（1THz=1012Hz）范圍內的電磁波，其波長在0.03mm-3mm之間，處于微波和紅外波段之間，集成了微波通信和光通信的優點。在高速通信等領域中都需要窄帶且頻率連續可調的THz波，因此THz可調濾波器的研究已經成為當前的研究熱點。

光子晶體是介電常數呈周期性分布的材料，由于其獨有的光子禁帶特性和光子局域特性可以很好的將光局域在光子晶體中傳播，傳輸損耗小，抗電磁干擾能力強，體積小，便于集成化，使光子晶體技術的研究受到廣泛的關注。

本文提出一種基于光子晶體波導微腔結構的可調諧THz濾波器，通過在微腔內摻雜KTP晶體，實現可調諧濾波，通過平面波展開法和時域有限差分法對該結構進行數值計算，結果表明，在4THz附近實現了可調諧濾波。

1 結構模型

1.1 THz光子晶體波導結構

THz光子晶體波導的基本結構是采用二維三角晶格空氣柱型光子晶體，以硅為背景材料，折射率n=3.48，空氣柱半徑r=0.32a，a是晶格常數（兩個空氣柱中心的距離），折射率為1，并去除中心一排的空氣孔，形成線缺陷波導，如圖1所示。

本文中針對二維光子晶體，采用平面波展開法（PWE）計算光子晶體的帶隙結構，采用時域有限差分法（FDTD）計算光子晶體的傳輸透射譜。經計算，THz光子晶體波導的禁帶結構對比完整結構光子晶體的禁帶圖，可以得到在禁帶頻率3.5THz～4.5THz之間出現了一個通帶3.78THz～4.24THz，這說明3.78THz～ 4.24THz的光將會局域在這個線缺陷波導中傳播，其他頻率的波將不能在該波導中傳輸，也就是說當輸入一個寬頻波時，波導輸出端就只接收到3.78THz～4.24THz的光波。

1.2 THz光子晶體波導微腔的設計

基于圖1所示THz光子晶體波導的結構，在其上添加高品質因數（Q值）的光子晶體微腔結構，如圖2所示，該微腔是由一個中心的點缺陷和周圍兩層摻雜磷酸鈦氧鉀（KTP）晶體的介質柱構成，通過調節KTP晶體的折射率可以改變微腔的諧振頻率。信號光從Input端口輸入，經過線型波導到達光子晶體微腔，濾波后再經波導輸出到探測器Monitor。這樣當在輸入端輸入一定頻率的光波時，只有符號波導諧振腔條件的光波才能高透射率的通過該結構，到達輸出端口。

采用PWE方法計算圖2所示結構的帶隙圖，黃色介質柱中摻雜的KTP晶體為常溫狀態，計算發現添加微腔的波導，由于微腔的光子局域特性，僅能使一個很窄的頻帶，中心頻率在4.05THz處的光傳輸過去，且透射率接近100%，達到了濾出很窄頻率范圍的光波的目的。

2 影響

為了獲得更好傳輸特性的波導微腔，以高斯脈沖信號為輸入信號，分別分析了缺陷微腔半徑R1和缺陷微腔結構不同對傳輸特性的影響。

首先分析微腔半徑不同時的傳輸透射率曲線，可以得到，當半徑R1從0.28a，以0.02a的步長變化到0.36a時，透射率呈先增后減的趨勢，且當半徑R1=0.32a時，透射率最大，約為98%。

接下來討論，當微腔介質柱半徑固定為0.32a，微腔結構不同對傳輸特性的影響，通過分析缺陷介質柱數N為6、12、18、28和36時的透射率曲線可以得到，透射率與微腔的結構也有關系，當N=18時，也就是微腔由兩層介質柱構成時，透射率最高。

3 數值模擬與結果分析

基于以上討論，我們選擇微腔介質柱半徑R1=0.32a，兩層介質柱構成缺陷微腔的結構構成波導微腔進行以下的THz濾波分析，結構如圖2所示。

基于圖2所示的THz光子晶體濾波器結構，應用FDTD算法，計算了不同外加電壓下的傳輸透射譜，當外加電壓以0.5V的步長從0V增加到4.5V，輸出端口的傳輸透射譜隨著電壓的改變而發生漂移，且歸一化透射率達到92%以上，如圖3所示，對應的透射峰值轉換成頻率分別為（THz）：4.178，4.138，4.104，4.071，4.037，4.005，3.974，3.937，3.901，3.866，

且頻譜寬度很窄，大約為0.005THz。由此可見，在點缺陷中添加KTP晶體，由于電壓的增加使得填充的KTP晶體的折射率發生改變，進而使諧振頻率改變，從而實現了可調諧選頻濾波。

4 結論

根據KTP晶體的電光效應，本文設計了一種在光子晶體線缺陷中添加點缺陷構成諧振微腔的結構，并在點缺陷中填充KTP晶體，通過改變外加電壓，實現THz可調諧濾波器。通過PWE和FDTD方法對結構進行數字分析，計算結果表明該結構在4THz附近有很好的透射率，并且通過改變電壓可以獲得帶寬為0.005THz的可調諧濾波透射譜。

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[責任編輯：王偉平]