新型光子晶體THz濾波器

引言

隨著太赫茲通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各種性能優(yōu)良的太赫茲通信器件成為了人們迫切的需求。THz濾波器是通信系統(tǒng)中的基本器件，濾波器能夠選擇濾出攜帶特定信息的波，另外也可以降低系統(tǒng)中的噪聲干擾從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。光子晶體是一種新型的材料，利用其對(duì)光具有非常好的處理能力，研究人員設(shè)計(jì)出許多性能很好的太赫茲通信器件。光子晶體太赫茲濾波器的設(shè)計(jì)主要分為兩類：一維光子晶體濾波器和二維光子晶體濾波器。本文是利用正方晶格二維光子晶體設(shè)計(jì)出了一種新型THz濾波器。目前大部分THz濾波器是利用在二維光子晶體中弓|入線缺陷和單個(gè)點(diǎn)缺陷形成的諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)THz波的耦合濾波。但是單個(gè)點(diǎn)缺陷只能出現(xiàn)單個(gè)缺陷模，不利于多波長(zhǎng)的同時(shí)處理。為了設(shè)計(jì)出多個(gè)缺陷模的諧振腔，本文設(shè)計(jì)了在二維光子晶體的線缺陷中中引入三個(gè)點(diǎn)缺陷按照一定規(guī)律構(gòu)成的諧振腔，這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可以實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)的濾波功能。仿真結(jié)果表明該新型濾波器能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)濾波，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于集成并且耦合下載效率高，在未來(lái)太赫茲通信系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1新型THz濾波器的結(jié)構(gòu)模型

本文中THz濾波器采用的是二維正方晶格光子晶體，圓形介質(zhì)柱構(gòu)成了光子晶體結(jié)構(gòu)，介質(zhì)柱材料為硅，折射率為3.4,背景材料為空氣折射率為1，周期常數(shù)是30卩m,而硅介質(zhì)柱半徑是6卩m,具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文利用Rsoft軟件中的BandSolve功能模塊計(jì)算仿真了完整晶格結(jié)構(gòu)的光子晶體帶隙，圖2所示是正方晶格S1介質(zhì)柱光子晶體帶隙的結(jié)構(gòu)圖。

從圖2(a)、(b)中可看出，由硅介質(zhì)柱和空氣背景組成的正方晶格的帶隙結(jié)構(gòu)，在正方晶格產(chǎn)生的禁帶中都是TE模,而相對(duì)而言，是不存在TM模的。在圖2(a)中，兩塊陰影部分就是光子晶體的禁帶，進(jìn)而可得到兩部分的歸一化頻率(a/A)范圍分別是0.28688?0.42027和0.71993?0.74734，計(jì)算可得禁帶寬度分別為0.13339和0.02741，最終可得波長(zhǎng)范圍是71.3826?104.5733呻和40.1423?41.6707呻,對(duì)應(yīng)頻率是2.8688?4.2027THz和7.1993?7.4734THz。本文所設(shè)計(jì)的THz濾波器的濾波波長(zhǎng)在第一個(gè)禁帶波長(zhǎng)范圍中。

新型太赫茲濾波器的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是：濾波器的波導(dǎo)是由沿著Z軸方向去掉完整晶格中一排S1介質(zhì)柱形成的線缺陷；耦合諧振腔是由三個(gè)點(diǎn)缺陷優(yōu)化的組合構(gòu)成，主波導(dǎo)中組合缺陷兩邊各有2個(gè)Si介質(zhì)柱，這樣的設(shè)計(jì)可以使組合點(diǎn)缺陷形成完整的諧振腔結(jié)構(gòu)。由于組合點(diǎn)缺陷構(gòu)成的諧振腔具有很強(qiáng)的光子局域能力，這樣和缺陷模對(duì)應(yīng)頻率的THz波入射到濾波器中時(shí)首先是沿著線缺陷構(gòu)成的波導(dǎo)傳輸，然后經(jīng)過諧振腔耦合到另一端，而其他的頻率的THz波將被阻隔在諧振腔處不能通過，這樣濾波器實(shí)現(xiàn)把選擇對(duì)應(yīng)THz波耦合下載，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2濾波器的性能分析

2.1缺陷模特性分析

現(xiàn)考慮一束TE模(即電場(chǎng)方向Ey與2D平面垂直)太赫茲波從濾波器的組合點(diǎn)缺陷入射情況，三個(gè)點(diǎn)缺陷的半徑分別是3.2um，13um，3.2um。根據(jù)FDTD算法進(jìn)行仿真,可以得到此時(shí)組合點(diǎn)缺陷處的諧振頻率波長(zhǎng)為87.9um、93.1um，對(duì)應(yīng)的頻率分別是3.413THz和3.222THz，兩個(gè)波長(zhǎng)的透射峰值都很高，具體的缺陷模如圖4所示。

2.2濾波器的場(chǎng)強(qiáng)分布

本文設(shè)計(jì)的新型濾波器可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)過濾輸出雙波長(zhǎng)的功能，所以為了進(jìn)一步分析其性能，考慮三種情況下濾波器的工作狀況：

第一種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長(zhǎng)為非缺陷模對(duì)應(yīng)的太赫茲波，這里代表性選擇波長(zhǎng)位于兩個(gè)缺陷模中間的一"波長(zhǎng)為90um的太赫茲波。這個(gè)波長(zhǎng)的太赫茲波是不能經(jīng)過組合缺陷諧振腔耦合輸出的。

第二種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長(zhǎng)為兩個(gè)缺陷模中的波長(zhǎng)為87.9um的太赫茲波。這個(gè)波長(zhǎng)的太赫茲波是可以經(jīng)過組合諧振腔耦合輸出的。

第三種情況是在濾波器的輸入端調(diào)節(jié)激光器，使其輸出波長(zhǎng)是兩個(gè)缺陷模中另一個(gè)波長(zhǎng)為93.1um的太赫茲波。這個(gè)波長(zhǎng)的太赫茲波也是可以經(jīng)過組合諧振腔耦合輸出的。

根據(jù)圖5可知，正方晶格光子晶體在引入一條線缺陷與三個(gè)點(diǎn)缺陷后，完全可以濾出兩束不同的太赫茲波。這就克服了一般濾波器中單個(gè)點(diǎn)缺陷只能濾出單束太赫茲波的不便。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種正方晶格雙波長(zhǎng)THz濾波器的方案。通常單個(gè)點(diǎn)缺陷控制一束太赫茲波，而通過引入三個(gè)點(diǎn)缺陷優(yōu)化組合之后具有可以同時(shí)控制兩束太赫茲波的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，文中還分析了濾波器的幾種工作情況下穩(wěn)態(tài)場(chǎng)強(qiáng)分布，從而證明此濾波器是可以實(shí)現(xiàn)的，并且具有良好的性能，將在未來(lái)太赫茲通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，而本文的研究也可以為進(jìn)一步設(shè)計(jì)太赫茲器件提供一些參考。

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