可調(diào)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(yīng)，本文設(shè)計(jì)了一種基于光子晶體的可調(diào)諧THz濾波器。該結(jié)構(gòu)通過在光子晶體線波導(dǎo)中添加點(diǎn)缺陷構(gòu)成微腔，并在點(diǎn)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(shí)現(xiàn)諧振頻率的可調(diào)。利用PWE和FDTD對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在4THz附近可以獲得帶寬為0.005THz的可調(diào)透射譜。

【關(guān)鍵詞】THz；光子晶體；可調(diào)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(nèi)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(yōu)點(diǎn)。在高速通信等領(lǐng)域中都需要窄帶且頻率連續(xù)可調(diào)的THz波，因此THz可調(diào)濾波器的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

光子晶體是介電常數(shù)呈周期性分布的材料，由于其獨(dú)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(qiáng)，體積小，便于集成化，使光子晶體技術(shù)的研究受到廣泛的關(guān)注。

本文提出一種基于光子晶體波導(dǎo)微腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧THz濾波器，通過在微腔內(nèi)摻雜KTP晶體，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波，通過平面波展開法和時域有限差分法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明，在4THz附近實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧濾波。

1 結(jié)構(gòu)模型

1.1 THz光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

THz光子晶體波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)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(shù)（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(dǎo)，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(jì)算光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，采用時域有限差分法（FDTD）計(jì)算光子晶體的傳輸透射譜。經(jīng)計(jì)算，THz光子晶體波導(dǎo)的禁帶結(jié)構(gòu)對比完整結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dǎo)中傳播，其他頻率的波將不能在該波導(dǎo)中傳輸，也就是說當(dāng)輸入一個寬頻波時，波導(dǎo)輸出端就只接收到3.78THz～4.24THz的光波。

1.2 THz光子晶體波導(dǎo)微腔的設(shè)計(jì)

基于圖1所示THz光子晶體波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，在其上添加高品質(zhì)因數(shù)（Q值）的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該微腔是由一個中心的點(diǎn)缺陷和周圍兩層摻雜磷酸鈦氧鉀（KTP）晶體的介質(zhì)柱構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)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(jīng)過線型波導(dǎo)到達(dá)光子晶體微腔，濾波后再經(jīng)波導(dǎo)輸出到探測器Monitor。這樣當(dāng)在輸入端輸入一定頻率的光波時，只有符號波導(dǎo)諧振腔條件的光波才能高透射率的通過該結(jié)構(gòu)，到達(dá)輸出端口。

采用PWE方法計(jì)算圖2所示結(jié)構(gòu)的帶隙圖，黃色介質(zhì)柱中摻雜的KTP晶體為常溫狀態(tài)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)添加微腔的波導(dǎo)，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(dá)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)半徑R1=0.32a時，透射率最大，約為98%。

接下來討論，當(dāng)微腔介質(zhì)柱半徑固定為0.32a，微腔結(jié)構(gòu)不同對傳輸特性的影響，通過分析缺陷介質(zhì)柱數(shù)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(jié)構(gòu)也有關(guān)系，當(dāng)N=18時，也就是微腔由兩層介質(zhì)柱構(gòu)成時，透射率最高。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

基于以上討論，我們選擇微腔介質(zhì)柱半徑R1=0.32a，兩層介質(zhì)柱構(gòu)成缺陷微腔的結(jié)構(gòu)構(gòu)成波導(dǎo)微腔進(jìn)行以下的THz濾波分析，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于圖2所示的THz光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)，應(yīng)用FDTD算法，計(jì)算了不同外加電壓下的傳輸透射譜，當(dāng)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(fā)生漂移，且歸一化透射率達(dá)到92%以上，如圖3所示，對應(yīng)的透射峰值轉(zhuǎn)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(diǎn)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(fā)生改變，進(jìn)而使諧振頻率改變，從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧選頻濾波。

4 結(jié)論

根據(jù)KTP晶體的電光效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)了一種在光子晶體線缺陷中添加點(diǎn)缺陷構(gòu)成諧振微腔的結(jié)構(gòu)，并在點(diǎn)缺陷中填充KTP晶體，通過改變外加電壓，實(shí)現(xiàn)THz可調(diào)諧濾波器。通過PWE和FDTD方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字分析，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)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(diào)諧濾波透射譜。

【參考文獻(xiàn)】

[1]倪媛，陳鶴鳴.一種新型光子晶體環(huán)形腔THz波濾波器[J].光通信研究，2015，06：53-54.

[2]張楊，溫建華.基于角度調(diào)諧的光子晶體濾波特性研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2015，06：783-789.

[3]李志全，劉正君.帶有KTP缺陷的2維光子晶體設(shè)計(jì)與能帶特性[J].強(qiáng)激光與粒子束.2011，05： 1383-1386.

[責(zé)任編輯：王偉平]