基于多重晶格光子晶体高速多波长THz波调制器的研究

摘要

THz波是介于微波段与红外波段之间的电磁波，具有丰富的频谱带宽，良好的穿透性能以及低光子能量，在频谱分析、成像和宽带通信等领域有着广阔的发展前景。随着现代移动流量的剧烈增长，未来无线THz通信传输速率需求将会达到数十Gb/s，研究频谱利用率高的THz波调制技术成为了亟须发展的方向。高速多波长THz波调制器的研究对于波分复用THz无线通信系统具有重要意义。
　　光子晶体具有周期性介电质结构，因其独特的禁带效应以及光子局域特性，可以自由控制光子的传播。光子晶体有望在THz功能器件的研制中发挥重要的作用，从而为THz通信系统的集成化和小型化作出贡献。随着通信技术的日趋成熟以及科学研究进一步深入的需要，采用光子晶体实现高速，插入损耗低，消光比高的THz波调制器已经成为THz波调制技术研究的主要发展方向。本文研究的各种THz波调制器均以光子晶体为载体。
　　本文围绕着THz波无线通信系统中所应用的光子晶体多波长THz波调制器展开研究。在多种晶格光子晶体中，引入光学非线性材料使其成为折射率可调谐光子晶体，通过光控和磁控等调制手段来引起谐振腔中的缺陷模的变化，进而实现对THz波的通断调制。本文分别研究了不同调制手段下的光子晶体THz波调制器的设计原理、器件结构和性能，主要内容包括：
　　（1）改进耦合模理论（CMT），应用改进后CMT分析多重晶格组合微腔中缺陷模的谐振谱和模场分布，其中模式频谱由本征态耦合系数SK决定，而线性叠加系数KnA则是影响本征态模场分布的主要因素。利用时域耦合模理论（TCMT）分别对多模单腔直接耦合结构和单模多腔异侧耦合结构的光子晶体调制器进行了理论推导，推导出多个波长光波入射时，调制器透射率表达式。
　　（2）提出了基于复式晶格的光控多波长THz波调制器。设计复式晶格直接耦合结构的四波长THz波调制器，探讨点缺陷位置变化对调制性能的影响，优化结构参数，优化后该太赫兹波调制器的消光比为44.5dB，插入损耗为0.23dB，调制速率约为7.1GHz。利用复式晶格异侧耦合结构实现六波长THz波调制，消光比为11.2dB，插入损耗为0.04dB，调制速率为4.17GHz。研究结果表明，采用异侧耦合结构更适用于复式晶格多波长（载波数量大于4）THz波调制器的设计，在插入损耗以及信道隔离度性能方面占据优势；而直接耦合结构复式晶格的四波长THz波调制器在消光比方面更优。
　　（3）分别提出了基于三重晶格单腔与组合微腔的光控多波长THz波调制器。将组合微腔和波导直接耦合构成调制器，利用时域耦合模理论（TCMT）和时域有限差分法（FDTD）对调制器的性能进行分析。研究结果表明，利用不同点腔构成组合微腔的结构可以实现四波长THz波的“通”、“断”调制，其消光比为34.08dB，插入损耗仅为0.21dB，调制速率为4GHz；基于相同点腔构成组合微腔的THz波调制器可分别实现五、六、八波长的THz波调制，三重晶格多波长THz波调制器具有消光比大，插入损耗小，无信道串扰的优势。
　　（4）提出了基于磁化等离子体光子晶体的磁控THz波调制器，将谐振腔和波导直接耦合连接构成调制器，利用FDTD方法分析该调制器分别在垂直磁场传播和平行磁场传播时的稳态场强分布和时域稳态响应。结果表明，当TE波传输方向与外加磁场垂直时，磁场和点缺陷半径尺寸的变化会造成缺陷模式的迁移和消失。调节InSb介质柱半径尺寸r2为8.228μm和13.997μm时，控制磁场强度为0T和1.26T时，分别可实现频率在3.2-3.25THz范围内的缺陷模消失型调制器，以及频率落在1.95-2.0THz范围内的迁移型调制器，前者性能更优，其消光比高达33.61dB，插入损耗为0.36dB，调制速率达到4GHz；当TE波传输方向平行于外加磁场时，单频光在谐振腔中分裂成左旋以及右旋圆偏振光，控制磁场强度为0T和0.8T时，实现对左旋右旋光的迁移型调制，消光比高达29.13dB，插入损耗仅为0.08dB，调制速率为8GHz。
　　综上所述，本文不仅分析了多重晶格组合微腔的模式谐振谱和模场分布，还分别利用TCMT理论和FDTD方法计算仿真了基于多重晶格多波长调制器的性能指标，分析了影响调制器性能的各种参数。设计了基于复式晶格、三重晶格的光控THz波调制器以及基于磁光效应的光子晶体磁控THz波调制器，调制速率均达到4GHz以上。这些成果对THz无线通信调制技术具有重要学术意义和潜在应用价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 THz波技术简介和研究现状

1.2光子晶体简介和研究现状

1.3光子晶体THz波调制器的研究进展

1.4本论文的主要内容

第二章 光子晶体数值计算方法

2.1平面波展开法

2.2时域有限差分法

2.3本章小结

第三章 光子晶体多波长调制器的耦合模理论分析方法

3.1单波长光子晶体调制器的时域耦合模理论分析

3.2组合微腔缺陷模的耦合模理论分析

3.3本章小结

第四章 基于复式晶格光子晶体光控多波长THz波调制器的特性分析

4.1基于复式晶格直接耦合结构的四波长THz波调制器

4.2基于复式晶格四波长THz波调制器直接耦合结构与侧耦合结构的性能比较

4.3基于复式晶格的六波长THz波调制器

4.4本章小结

第五章 基于三重晶格光子晶体光控多波长THz波调制器的特性分析

5.1基于三重晶格单腔的三波长THz波调制器

5.2运用FDTD法和CMT理论对基于三重晶格组合微腔缺陷模的性能研究

5.3基于三重晶格组合微腔的多波长THz波调制器

5.4本章小结

第六章 基于磁化等离子体光子晶体的磁控THz波调制器的特性分析

6.1磁化等离子体光子晶体的介电张量模型

6.2磁化等离子体光子晶体点缺陷的特性分析

6.3垂直于磁场传播的磁化等离子体THz波调制器

6.4平行于磁场传播的磁化等离子体THz波调制器

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2展望和建议

参考文献

附录2 攻读博士学位期间撰写的论文

附录3 攻读博士学位期间申请的专利

附录4 攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢