垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器及調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種磁控太赫茲波調(diào)制器(二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體)，尤其是一種缺陷模迀移型以及消失型、等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器，涉及太赫茲波通信與光信息處理的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體作為一種新型的光學(xué)功能材料，已受到了廣泛的關(guān)注。人們正試圖利用光子晶體的特殊性質(zhì)，開(kāi)發(fā)出更多的光學(xué)元器件，其中光子晶體調(diào)制器就是研宄的熱點(diǎn)之一。而太赫茲波(100GHz — 1THz)是頻譜上的最后一段空白，將其應(yīng)用于未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，以解決高速率、超寬帶無(wú)線(xiàn)接入問(wèn)題是必然的趨勢(shì)。將光子晶體調(diào)制器的調(diào)制波段迀移到THz波段，就很好地滿(mǎn)足了現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的寬頻帶要求。
[0003]根據(jù)調(diào)制機(jī)理的不同，光子晶體太赫茲波調(diào)制器主要分為以下兩類(lèi):光子帶隙型和缺陷模型。其中光子帶隙型太赫茲波調(diào)制器是利用光子帶隙的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的斷、通調(diào)制；而缺陷模型太赫茲波調(diào)制器是利用光子晶體的缺陷模迀移(或消失)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的斷、通調(diào)制。并且缺陷模型太赫茲波調(diào)制器比光子帶隙型太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制性能更好。
[0004]垂直磁控的磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器具有以下優(yōu)勢(shì):調(diào)制器性能好，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移型以及消失型太赫茲波調(diào)制器，調(diào)制器的插入損耗低；消光比可以達(dá)到很高。調(diào)制器的穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)，并且調(diào)制器體積很小，易于光電集成。
[0005]缺陷模變化型的光子晶體太赫茲波調(diào)制器是通過(guò)在光子晶體的點(diǎn)缺陷處引入磁控材料銻化銦實(shí)現(xiàn)的。外加磁場(chǎng)于點(diǎn)缺陷處在X—Z平面內(nèi)沿Z方向入射，磁性材料銻化銦在磁場(chǎng)下形成磁化等離子體，隨著控制外加磁場(chǎng)的有無(wú)，其折射率將發(fā)生變化，光子晶體中諧振腔內(nèi)的缺陷模在特定頻段內(nèi)將發(fā)生迀移或消失，從而控制所傳播赫茲波的通、斷，實(shí)現(xiàn)把信號(hào)加載到太赫茲波上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明目的是提供一種垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器及調(diào)制方法，其采用磁控的方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移以及消失型太赫茲波調(diào)制器，具有很好的調(diào)制性能，且為缺陷模變化型，從而大大減小了調(diào)制器的插入損耗，消光比也得到了很大的改善。
[0007]技術(shù)方案:為了適應(yīng)高速、超寬帶太赫茲波通信系統(tǒng)的發(fā)展，使太赫茲波調(diào)制器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移以及缺陷模消失型調(diào)制，具有低插損和高消光比的性能，我們提出了一種新型的垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器，使其工作在太赫茲波段，更具實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的光子晶體太赫茲波調(diào)制器均是基于光控或者電控的方式，運(yùn)用帶隙迀移原理來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制，其插入損耗大，消光比很小，性能參數(shù)不理想。而已研宄出的基于光子晶體的太赫茲波調(diào)制器也僅能運(yùn)用缺陷模迀移或者消失原理來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制，調(diào)制性能單一且插入損耗，消光比等性能參數(shù)亦不理想，限制了其在高速太赫茲波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用；我們采用基于二維三角晶格的點(diǎn)、線(xiàn)缺陷組合結(jié)構(gòu)，并在中心點(diǎn)缺陷處填充磁控銻化銦材料，得以同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移型以及消失型、基于二維三角晶格光子晶體的磁控太赫茲波調(diào)制器，消光比分別高達(dá)20.36dB和33.61dB，插入損耗低達(dá)0.08dB和
0.36dB，調(diào)制性能良好。
[0008]本發(fā)明的一種垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器包括二維三角晶格結(jié)構(gòu)硅光子晶體、波導(dǎo)區(qū)、點(diǎn)缺陷諧振腔；其中，二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體是沿X— Z平面周期性分布的介質(zhì)柱型硅光子晶體；在二維三角晶格結(jié)構(gòu)硅光子晶體的兩端引入對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)缺陷構(gòu)成波導(dǎo)區(qū)，然后在中心處采用磁控可調(diào)諧材料銻化銦構(gòu)造圓形介質(zhì)柱，形成點(diǎn)缺陷諧振腔，太赫茲波沿X方向從波導(dǎo)區(qū)的左端輸入，波導(dǎo)區(qū)的右端輸出；外加磁場(chǎng)在X—Z平面內(nèi)沿Z方向入射到圓形點(diǎn)缺陷諧振腔上，其方向與太赫茲波傳輸方向垂直。
[0009]所述外加磁場(chǎng)由通電螺線(xiàn)管提供。
[0010]信號(hào)光是一束太赫茲波沿X方向從波導(dǎo)區(qū)左端輸入，波導(dǎo)區(qū)右端輸出，外加磁場(chǎng)由通電螺線(xiàn)管提供，在X— Z平面內(nèi)沿著Z方向入射到圓形點(diǎn)缺陷諧振腔上，其方向與太赫茲波傳輸方向垂直。
[0011]本發(fā)明提出的垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制方法是:隨著控制外加磁場(chǎng)的有無(wú)，磁性材料銻化銦在磁場(chǎng)下形成磁化等離子體，其折射率將發(fā)生變化，光子晶體中諧振腔內(nèi)的缺陷模在特定頻段內(nèi)將發(fā)生迀移或消失，從而控制所傳播太赫茲波的通、斷，實(shí)現(xiàn)把信號(hào)加載到太赫茲波上。
[0012]有益效果:本發(fā)明提出的一種垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器，尤其是一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移以及消失型調(diào)制的光子晶體太赫茲波調(diào)制器。此調(diào)制器在二維三角晶格、介質(zhì)柱型硅光子晶體中，將線(xiàn)缺陷波導(dǎo)區(qū)和圓形點(diǎn)缺陷可調(diào)諧振腔相結(jié)合，其中波導(dǎo)區(qū)提供了太赫茲波在光子晶體中的有效傳輸路徑，填充磁控可調(diào)諧材料銻化銦構(gòu)造的點(diǎn)缺陷諧振腔起著快速高效地諧振和選頻作用。更重要的是，只需引入單個(gè)點(diǎn)缺陷，就可同時(shí)實(shí)現(xiàn)缺陷模迀移以及消失型調(diào)制，大大改善了調(diào)制性能。并且由于點(diǎn)缺陷填充了磁控可調(diào)諧材料，其折射率在磁場(chǎng)的控制下將發(fā)生明顯變化且具有色散特性，使得調(diào)制器的調(diào)制性能好，性能參數(shù)優(yōu)，滿(mǎn)足了未來(lái)高速率、超寬帶太赫茲波通信系統(tǒng)的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明光子晶體太赫茲波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖，圖中有:二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體1、波導(dǎo)區(qū)2、點(diǎn)缺陷諧振腔3。
[0014]圖2a為無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，缺陷模消失型調(diào)制器中缺陷模的頻譜圖，
[0015]圖2b為有無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，缺陷模消失型調(diào)制器中缺陷模的頻譜圖。
[0016]圖3a為無(wú)無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，缺陷模迀移型調(diào)制器中缺陷模的頻譜圖，
[0017]圖3b為有無(wú)外加磁場(chǎng)情況下，缺陷模迀移型調(diào)制器中缺陷模的頻譜圖。
[0018]圖4a為缺陷模消失型調(diào)制器“通”狀態(tài)的示意圖，
[0019]圖4b為缺陷模消失型調(diào)制器“斷”狀態(tài)的示意圖，
[0020]圖5a為缺陷模迀移型調(diào)制器“通”狀態(tài)的示意圖，
[0021]圖5b為缺陷模迀移型調(diào)制器“斷”狀態(tài)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]該垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器包括二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體1、波導(dǎo)區(qū)2、點(diǎn)缺陷諧振腔3 ;其中，二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體I是沿X— Z平面周期性分布的介質(zhì)柱型硅光子晶體。在其兩端引入對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)缺陷構(gòu)成波導(dǎo)區(qū)2，在二維三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體I的中心采用磁控可調(diào)諧材料銻化銦構(gòu)造圓形介質(zhì)柱，形成點(diǎn)缺陷諧振腔3，太赫茲波沿X方向從波導(dǎo)區(qū)2的左端輸入，波導(dǎo)區(qū)2的右端輸出；外加磁場(chǎng)在X— Z平面內(nèi)沿Z方向入射到圓形點(diǎn)缺陷諧振腔3上。
[0023]波導(dǎo)區(qū)2是由移去了二維三角晶格光子晶體中對(duì)稱(chēng)分布的兩排圓形硅介質(zhì)柱構(gòu)成的線(xiàn)缺陷組成，兩線(xiàn)缺陷不相通，與諧振腔沿直線(xiàn)排列。
[0024]太赫茲波載頻分別為1.983THz和3.25THz (對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為151.3 μ m和92.33 μ m)，外加磁場(chǎng)由通電螺線(xiàn)管提供。
[0025]本發(fā)明提供的垂直磁控等離子體光子晶體太赫茲波調(diào)制器由二維三角晶格光子晶體1