基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器及调制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103885267 A(43)申请公布日 2014.06.25

(21)申请号 201410117903.8(22)申请日 2014.03.26

(71)申请人南京邮电大学

地址210023 江苏省南京市亚东新城区文苑

路9号(72)发明人陈鹤鸣 周雯 孙会

(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限

公司 32200

代理人叶连生(51)Int.Cl.

G02F 1/355(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图2页权利要求书1页 说明书4页 附图2页

(54)发明名称

基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器及调制方法(57)摘要

本发明是一种基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器及调制方法，尤其是一种缺陷模变化型光子晶体太赫兹波调制器。其中三重结构三角晶格硅光子晶体(1)由简单结构的圆形硅介质柱三角晶格光子晶体，正方形硅介质柱三角晶格光子晶体和三角形硅介质柱三角晶格光子晶体嵌套而成，是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体。介质柱材料为硅，背景材料为空气；波导区(2)位于三重结构三角晶格光子晶体(1)的两端，由移去了三重晶格光子晶体的两排对称交替的圆形，方形和三角形硅介质柱构成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成。点缺陷谐振腔(3)是由光控可调谐材料砷化镓构造方形介质柱形成。CN 103885267 ACN 103885267 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器，其特征在于该光子晶体太赫兹波调制器包括三角晶格三重结构光子晶体(1)、波导区(2)、点缺陷谐振腔(3)；其中，三角晶格三重结构光子晶体(1)是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，其构造是将圆形硅介质柱三角晶格光子晶体和正方形硅介质柱三角晶格光子晶体旋转后相互嵌套形成蜂窝型结构的光子晶体，再将三角形硅介质柱三角晶格光子晶体嵌套在蜂窝型光子晶体的中心处，从而形成方形，圆形和三角形硅介质柱构成三角晶格三重结构光子晶体(1)；在三角晶格三重结构光子晶体(1)的两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，然后在三角晶格三重结构光子晶体(1)的中心处采用光控可调谐材料砷化镓构造方形介质柱，形成点缺陷谐振腔(3)，太赫兹波从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；控制光沿着垂直于X—Z平面的方向入射到方形点缺陷谐振腔(3)上。

2.根据权利要求1所述的基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器，其特征在于所述控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供。

3.一种如权利要求1所述的基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器的调制方法，其特征在于:所述的调制器通过控制泵浦光的有无，引起点缺陷填充的光控可调谐材料砷化镓的折射率发生非线性效应，使得在光子晶体中心点缺陷处谐振的三波长缺陷模发生动态变化，进而实现对三波长太赫兹波的通、断调制，实现了把信号加载到太赫兹波上。

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基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器及调制方

法

技术领域

[0001]

本发明是一种太赫兹波调制器(三重三角晶格结构光子晶体)，尤其是一种缺陷

模变化型、三波长太赫兹波光子晶体太赫兹波调制器，涉及太赫兹波通信与光信息处理的技术领域。

背景技术

[0002] 光子晶体作为一种新型的光学功能材料，已受到了广泛的关注。人们正试图利用光子晶体的特殊性质，开发出更多的光学元器件，其中光子晶体调制器就是研究的热点之一。而太赫兹波(100GHz—10THz)是频谱上的最后一段空白，将其应用于未来的无线通信领域，以解决高速率、超宽带无线接入问题是必然的趋势。将光子晶体调制器的调制波段迁移到THz波段，就很好地满足了现代无线移动通信的宽频带要求。[0003] 根据调制机理的不同，光子晶体太赫兹波调制器主要分为以下两类:光子带隙型和缺陷模型。其中光子带隙型太赫兹波调制器是利用光子带隙的改变来实现对太赫兹波的断、通调制；而缺陷模型太赫兹波调制器是利用光子晶体的缺陷模迁移（或变化）来实现对太赫兹波的断、通调制。并且缺陷模型太赫兹波调制器比光子带隙型太赫兹波调制器的调制性能更好。

[0004] 光控三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器具有以下优势:调制器性能好，可同时实现对三波长太赫兹波的调制，调制速率高达GHz量级；调制器的插入损耗低；消光比可以达到很大。调制器的稳定性和可靠性强，泵浦光的阈值功率小。并且调制器体积很小，易于光电集成。

[0005] 缺陷模变化型的光子晶体太赫兹波调制器是通过在光子晶体的点缺陷处引入光控材料砷化镓实现的。泵浦光在点缺陷处垂直于X—Z平面入射，随着控制泵浦光强的有无，非线性光学介质砷化镓的折射率将发生快速变化，光子晶体中谐振腔内三个缺陷模的频率将发生动态变化，从而控制所传播三波长太赫兹波的通、断，实现把信号加载到太赫兹波上。

发明内容

[0006] 技术问题：本发明目的是提供一种基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器及调制方法，其采用光控的方法，具有很高的调制速率，且为缺陷模变化型，从而大大减小了调制器的插入损耗，消光比也得到了很大的改善。[0007] 技术方案：为了适应高速、超宽带太赫兹波通信系统的发展，使太赫兹波调制器能同时调制三个太赫兹波长并且具有调制速率高、低插损和高消光比的性能，我们提出了一种新型的基于三重三角晶格结构光子晶体的三波长太赫兹波调制器，使其工作在太赫兹波段，更具实际的应用价值。传统的光子晶体太赫兹波调制器通过单个点缺陷只能实现单波长太赫兹波的调制，而已研究出的基于复式晶格光子晶体的太赫兹波调制器也只能通过单

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个点缺陷实现双波长太赫兹波的调制，同时大部分光子晶体太赫兹波调制器采用液晶等响应时间缓慢的可调谐材料，因此调制速率都很低，仅为10KHz左右，限制了其在高速太赫兹波通信系统中的应用；且调制器都采用带隙迁移型结构，其插入损耗，消光比等性能不理想。我们采用基于三重晶格的点、线缺陷组合结构，并在中心点缺陷处填充光控砷化镓材料，得以实现缺陷模变化型、基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器，调制器的调制速率高达3.95GHz，消光比达34dB，插入损耗低达0.16dB，调制性能良好。

[0008] 本发明的基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器包括三角晶格三重结构光子晶体、波导区、点缺陷谐振腔；其中，三角晶格三重结构光子晶体是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，其构造是将圆形硅介质柱三角晶格光子晶体和正方形硅介质柱三角晶格光子晶体旋转后相互嵌套形成蜂窝型结构的光子晶体，再将三角形硅介质柱三角晶格光子晶体嵌套在蜂窝型光子晶体的中心处，从而形成方形，圆形和三角形硅介质柱构成三角晶格三重结构光子晶体；在三角晶格三重结构光子晶体的两端引入对称的线缺陷构成波导区，然后在三角晶格三重结构光子晶体的中心处采用光控可调谐材料砷化镓构造方形介质柱，形成点缺陷谐振腔，太赫兹波从波导区的左端输入，波导区的右端输出；控制光沿着垂直于X—Z平面的方向入射到方形点缺陷谐振腔上。[0009] 所述控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供。[0010] 信号光是三种波长的太赫兹波，太赫兹波从波导区左端输入，波导区右端输出，泵浦控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供，泵浦光沿着垂直于X—Z平面的方向入射到方形点缺陷谐振腔上。

[0011] 本发明的基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器的调制方法是:所述的调制器通过控制泵浦光的有无，引起点缺陷填充的光控可调谐材料砷化镓的折射率发生非线性效应，使得在光子晶体中心点缺陷处谐振的三波长缺陷模发生动态变化，进而实现对三波长太赫兹波的通、断调制，实现了把信号加载到太赫兹波上。[0012] 有益效果：本发明提出的一种基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器，尤其是一种可同时实现三种波长太赫兹波调制的光子晶体太赫兹波调制器。此调制器在二维三角晶格三重结构、介质柱型硅光子晶体中，将线缺陷波导区和方形点缺陷可调谐振腔相结合，其中波导区提供了太赫兹波在光子晶体中的有效传输路径，填充光控可调谐材料砷化镓构造的点缺陷谐振腔起着快速高效地谐振和选频作用。更重要的是，只需引入单个点缺陷，就可同时实现三波长的太赫兹波的调制，大大提高了调制的效率。并且由于点缺陷填充了光控可调谐材料，此太赫兹波调制器的调制速率很高，可达GHz量级，满足了未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。附图说明

[0013] 图1为本发明光子晶体太赫兹波调制器的结构图，图中有：三角晶格三重结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3。

[0014] 图2a为无泵浦控制光情况下缺陷模的频谱图，[0015] 图2b为有泵浦控制光情况下缺陷模的频谱图。[0016] 图3a为三种波长的太赫兹波都是“通”状态的示意图，[0017] 图3b，图3c，图3d为只有一种波长的太赫兹波可通过的状态示意图；

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图3e为三种波长的太赫兹波均不能通过的状态示意图。

具体实施方式

[0019] 该基于三重晶格光子晶体的三波长太赫兹波调制器包括三角晶格三重结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3；其中，三角晶格三重结构光子晶体1是沿X—Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体，由简单结构的圆形硅介质柱三角晶格光子晶体、正方形硅介质柱三角晶格光子晶体和三角形硅介质柱三角晶格光子晶体嵌套而成。在其两端引入对称的线缺陷构成波导区2，在三角晶格三重结构光子晶体1的中心采用光控可调谐材料砷化镓构造方形介质柱，形成点缺陷谐振腔3，太赫兹波从波导区2的下端输入，波导区2的上端输出；控制光沿着垂直于X—Z平面的方向入射到方形点缺陷谐振腔3上。

[0020] 波导区2是由移去了三角晶格三重结构光子晶体的两排对称交替的圆形，方形和三角形硅介质柱构成的线缺陷组成，两线缺陷不相通，与谐振腔沿直线排列。[0021] 太赫兹波载频分别为4.02THz，3.9THz和3.57THz（对应波长为74.599μm，76.965μm，84.033μm），控制泵浦光由太赫兹激光器提供或者由其倍频光提供。

[0022] 本发明提供的基于三重晶格光子晶体可调谐振腔的太赫兹波调制器由三角晶格三重结构光子晶体1、波导区2、点缺陷谐振腔3构成。其中三角晶格三重结构光子晶体1是沿X—Z平面呈三角形周期性分布的介质柱型硅光子晶体，由简单结构的圆形硅介质柱三角晶格光子晶体，正方形硅介质柱三角晶格光子晶体和三角形硅介质柱三角晶格光子晶体嵌套而成。介质柱材料为硅，背景材料为空气。波导区2位于光子晶体的两端，由移去了三角晶格三重结构光子晶体的两排对称交替的圆形、方形和三角形硅介质柱构成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成。在两线缺陷连接处引入点缺陷谐振腔3，点缺陷3内填充光控可调谐材料砷化镓。太赫兹波从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出。太赫兹波载频为4.02THz，3.9THz和3.57THz，泵浦光沿着垂直于X—Z平面的方向入射到方形点缺陷谐振腔3上；泵浦光可以由太赫兹激光器提供或者由其倍频光提供。[0023] 具体参数为:晶格常数a=33μm，圆形介质柱半径r=5μm，方形介质柱边长b=9μm，三角形介质柱底边s=15μm，高为h=11μm，硅介质柱折射率为3.4，背景材料空气的折射率为1，点缺陷处填充非线性光学材料砷化镓。（砷化镓的折射率定义为N=n-n’，包括实部与虚部两部分，其虚部的大小决定于泵浦光的波长与强度。砷化镓在太赫兹波段内的损耗机理为由于稀薄等离子体内自由载流子的吸收作用，进而影响其折射率虚部。当砷化镓处于基态时，损耗几乎可以忽略不计，但其在太赫兹波段的折射率虚部随泵浦光强的增加而增加，且其折射率实部基本保持不变。随着砷化镓内部载流子浓度从1015cm-3变化到1017cm-3,其虚部逐渐增加到和实部相等，进而超过实部。当没有泵浦光入射时，砷化镓处于基态，在太赫兹波段内损耗很小，可以忽略，即其虚部为0。当使用的泵浦光源（调制光源）波长为810nm，当其入射强度为0.4pJ/cm2时，砷化镓处于光子激发态，其折射率虚部约为2.55。当没有泵浦光入射点缺陷时，砷化镓的折射率为3.55；当使用泵浦光源（调制光源）波长为810nm，当其入射强度为0.4pJ/cm2时，砷化镓折射率实部仍为3.55，虚部约为2.55。）[0024] 此缺陷模变化型三波长太赫兹波调制器的工作原理如下:线缺陷的引入，实质是为太赫兹波的传输提供了波导，使频率范围落在光子禁带范围内的太赫兹波能够通过线缺陷；点缺陷的引入，实质上是一个太赫兹波谐振腔，它可以对太赫兹波选频，使符合谐振

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频率（即缺陷模频率）的太赫兹波在缺陷处谐振，在该调制器中，点缺陷可以激励三种波长的太赫兹波进行谐振。因此当没有泵浦光入射点缺陷时，砷化镓的折射率为3.55，虚部为0，点缺陷处对应的谐振模频率分别为4.02THz，3.9THz，3.57THz（对应波长为74.599μm，76.965μm，84.033μm），此时符合缺陷模频率的三波长太赫兹波均可通过线缺陷并耦合入方形点缺陷中进行谐振。当入射光在方形点缺陷处完全谐振时，几乎所有的输入光经过线缺陷输出，调制器表现为开。当使用泵浦光源入射光在点缺陷处不能产生谐振，（调制光源）波长为810nm，其入射强度为0.4pJ/cm2时，砷化镓折射率实部仍为3.55，虚部约为2.55，响应时间在ps量级，此时点缺陷处三缺陷模消失，线缺陷的输出端口没有光输出，调制器表现为关。

[0025] 调制过程如下:当一束频率为4.02THz，3.9THz和3.57THz的TE模太赫兹波从调制器的线缺陷波导区入射时:

[0026] (1)当方形点缺陷处不加泵浦光，点缺陷处砷化镓的折射率实部为n=3.55，虚部n’=0，入射光为三种波长的太赫兹波，此时三种波长的光均能通过调制器。如图3a所示。缺陷模频率分别为4.02THz，3.9THz，3.57THz（对应波长为74.599μm，76.965μm，84.033μm）。此时调制器输出的光强约为2.89，响应时间约为253ps，插入损耗为0.16dB，消光比为34dB。

[0027] (2)在方形点缺陷处不加泵浦光，入射光频率为4.02THz的，此时该频率的入射光可通过调制器，如图3b所示。此时调制器输出的光强约为0.93，响应时间约为352ps，插入损耗为0.31dB。

[0028] (3)在方形点缺陷处不加泵浦光，入射光频率为3.9THz，此时该频率的入射光可通过调制器，如图3c所示。此时调制器输出的光强约为0.98，响应时间约为259ps，插入损耗为0.08dB。

[0029] (4)在方形点缺陷处不加泵浦光，入射光频率为3.57THz，此时该频率的入射光可通过调制器，如图3d所示。此时调制器输出的光强约为0.95，响应时间约为223ps，插入损耗为0.22dB。

[0030] (5)在方形点缺陷处加泵浦光，砷化镓折射率实部仍为3.55，虚部约为2.55，此时波长分别为74.599μm，76.965μm，84.033μm的入射光均不能通过线缺陷输出，如图3e所示。

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说 明 书 附 图

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图1

图2a

图2b

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说 明 书 附 图

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图3a

图3b

图3c

图3d

图3e

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