复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关.pdf

复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关中，复式正方晶格结构光子晶体(1)是沿X—Z平面周期性分布的硅介质柱型光子晶体，其构造是将圆形硅介质柱正方晶格光子晶体和方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套形成的光子晶体结构，方形介质柱旋转45度，在复式正方光子晶体中设有波导区(2),波导两侧距离波导一个晶格常数处分别有一个圆形点缺陷谐振腔(3)和一个方形点缺陷谐振腔(4)，在圆形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节方形介质柱(5),在方形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节圆形介质柱(6)。通过分析点缺陷大小和可调节介质柱大小对透射谱的影响，改变点缺陷大小和可调节介质柱大小，降低光开关“断”状态的透过率，提高光开关的性能。

权利要求书
1.  一种复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关，该光子晶体太赫兹波光开关包括基底和位于基底中的复式正方晶格结构光子晶体(1)、波导区(2)、圆形点缺陷谐振腔(3)和方形点缺陷谐振腔(4)、可调节方形介质柱(5)和可调节圆形介质柱(6)；其中，复式正方晶格结构光子晶体(1)是沿X—Z平面周期性分布的硅介质柱型光子晶体，其构造是将圆形硅介质柱正方晶格光子晶体和方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套形成的光子晶体结构，方形介质柱绕轴旋转45度，在复式正方光子晶体中设有波导区(2),波导两侧距离波导一个晶格常数处分别有一个圆形点缺陷谐振腔(3)和一个方形点缺陷谐振腔(4)，在圆形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节方形介质柱(5),在方形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节圆形介质柱(6)。

2.  据权利要求1所述的复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关，其特征在于所述圆形点缺陷谐振腔(3)、方形点缺陷谐振腔(4)，通过调节其大小来优化结构参数，还能够调节可调节方形介质柱(5)和可调节圆形介质柱(6)的大小，联合优化光开关结构，提升谐振腔的性能。

说明书复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关
技术领域
本发明是一种多波长太赫兹波光开关(基于复式晶格光子晶体结构)，点线缺陷采用侧耦合方式，是一种缺陷模消失型的多波长太赫兹波光开关，涉及太赫兹波通信与太赫兹测量技术领域。
背景技术
太赫兹波(又称THz波、T射线)通常是指频率在0.1～10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁辐射，在电磁波谱上的位置夹在微波和红外线之间，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。光子晶体(Photonic crystal)又称作光子禁带材料，是由介电常数有差异的材料周期性排列而形成的，具有光子禁带、光子局域、抑制自发辐射等特性。由于光子晶体器件具有体积小、易于集成等优点，是未来集成光路元件的理想选择。将光子晶体技术和THz技术相结合，设计出的多波长光开关能够满足未来THz通信需求的。
近年来，人们提出了很多种不同结构的光子晶体THz波光开关。基本上是基于光子带隙迁移型的光开关，由于光子带隙边缘并非绝对的陡峭，即无法实现绝对的“0”、“1”高低电平，因此开关的插入损耗和消光比不太理想,且控制通断的方式需要高温或者高压，不易于实现，控制起来不方便。还存在响应时间慢和只能控制一个波长等问题，不能满足未来大容量THz通信系统的要求。
在复式晶格中通过构造点缺陷和线缺陷，点线缺陷采用侧耦合方式，点缺陷用非线性光学材料砷化镓，利用泵浦光对点缺陷谐振腔进行控制，实现对THz波的通断控制。缺陷模消失型光开关一定程度上可提高消光比，砷化镓材料的响应速度快，能提高开关的速率，利用泵浦光对开关实现通断控制。点缺陷的大小对谐振腔性能和谐振频率影响很大，通过优化点缺陷大小可提高光开光的消光比。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关。通过分析点缺陷尺寸大小对透射谱的影响，优化点缺陷大小，降低光开关断状态的透过率，提高光开关的消光比，开关性能达到最佳。
技术方案：本发明的复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关，该光子晶体太赫兹波光开关包括基底和位于基底中的复式正方晶格结构光子晶体、波导区、圆形点缺陷谐振腔和方形点缺陷谐振腔、可调节方形介质柱和可调节圆形介质柱；其中，复式正方晶格结构 光子晶体是沿X—Z平面周期性分布的硅介质柱型光子晶体，其构造是将圆形硅介质柱正方晶格光子晶体和方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套形成的光子晶体结构，方形介质柱绕轴旋转45度，在复式正方光子晶体中设有波导区,波导两侧距离波导一个晶格常数处分别有一个圆形点缺陷谐振腔和一个方形点缺陷谐振腔，在圆形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节方形介质柱,在方形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节圆形介质柱。
通过调节圆形点缺陷谐振腔、方形点缺陷谐振腔的大小来优化结构参数，还能够调节可调节方形介质柱和可调节圆形介质柱的大小，联合优化光开关结构，提升谐振腔的性能。
通过分析缺陷模Q值的大小与缺陷模对应波长透射谱的情况，谐振腔的Q值越大，点缺陷的局域效果越好，对光“束缚”能力越强；缺陷模对应波长在透射谱中的吸收峰越小，光开关的断状态透过率越低。从这两个方面综合考虑，选出最佳点缺陷尺寸。
本发明的复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关原理：由于光子晶体的PBG效应，当光子晶体中引入线缺陷后，频率在禁带范围内的光子可以沿着线缺陷传播，此时的线缺陷效果等同于波导；当光子晶体中引入点缺陷后，形成的微腔能局域某个指定频率的光子，此时的光子带隙中出现了缺陷态；当光子晶体中同时引入线缺陷和点缺陷后，且点缺陷就在线缺陷附近，此时线缺陷与点缺陷相互影响，它们之间有能量的耦合，形成了缺陷模。当点缺陷处的外加激励改变时，缺陷模将产生或者消失。当信号光的频率与缺陷模频率相吻合时，有缺陷模时，信号光被耦合进点缺陷，光开关处于“断”状态；当信号光的频率与缺陷模频率不同时，缺陷模消失，信号光不能被耦合进点缺陷，光开关处于“通”状态。
有益效果：本发明提出的一种复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关。采用复式晶格光子晶体，在完整复式正方晶格光子晶体中引入一条线缺陷和两个点缺陷(方形点缺陷和圆形点缺陷)，点缺陷与线缺陷之间采用侧耦合的方式，点缺陷处填充光控非线性材料砷化镓。在复式正方晶格中光子晶体，一个点缺陷对应两个不同的缺陷模，两个点缺陷对应四个不同的缺陷模，可实现四波长通断的控制。通过引入两个点缺陷，实现对四个波长通断的控制，大大提高了光开关的效率。并且由于点缺陷填充了光控可调谐材料，开关速率很高，可达GHz量级，可满足未来高速率、超宽带太赫兹波通信系统的需求。
附图说明
图1为本发明复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关的结构图，图中有：复式正方晶格硅介质柱型光子晶体1、波导区2、圆形点缺陷谐振腔3、方形点缺陷谐振腔4、可调节方形介质柱5和可调节圆形介质柱6；
图2a为当太赫兹波源使用高斯脉冲波源打入开关时，所得到方形点缺陷对应的透射谱；
图2b为当太赫兹波源使用高斯脉冲波源打入开关时，所得到圆形点缺陷对应的透射谱；
图3a为对应的光开关“断”状态稳态场强分布图；
图3b为对应的光开关“通”状态稳态场强分布图。
具体实施方式
本发明的复式晶格光子晶体多波长太赫兹波光开关包括复式正方晶格光子晶体1、波导区2、圆形点缺陷谐振腔3和方形点缺陷谐振腔4、可调节方形介质柱5和可调节圆形介质柱6；其中，复式正方晶格结构光子晶体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正方晶格光子晶体和方形硅介质柱正方晶格光子晶体嵌套形成的光子晶体结构，方形介质柱绕轴旋转45度，在复式正方光子晶体中设有波导取2,波导两侧距离波导一个晶格常数处分别有一个圆形点缺陷谐振腔3和一个方形点缺陷谐振腔4，在圆形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节方形介质柱5,在方形点缺陷附近靠近波导处有一个可调节圆形介质柱6。
该结构光开关的具体参数为：晶格常数a＝25μm，方形介质柱边长b＝9μm，可调节圆形介质柱半径为0.8r，可调节方形介质柱大小为0.8b，圆形介质柱半径r＝5μm，硅介质柱折射率为3.4，背景材料空气的折射率为1；方形点缺陷大小为B＝2.18b，圆形点缺陷大小为R＝2.33r，点缺陷处填充非线性光学材料砷化镓。
方形点缺陷两个缺陷模的谐振频率为63.366μm(4.74THz)和68.587μm(4.38THz)；圆形点缺陷两个缺陷模的谐振频率为65.181μm(4.60THz)和68.358μm(4.39THz)。
当在点缺陷上不施加泵浦光时，GaAs处于基态，这时砷化镓的折射率为n＝3.55，虚部为0，方形、圆形点缺陷产生缺陷模。方形点缺陷可对波长为63.366μm(4.74THz)和68.587μm(4.38THz)的THz信号光进行“吸收”，光开关处于断状态。
当在点缺陷上施加泵浦光时，GaAs处于激发态，这时砷化镓的折射率为n＝3.55，虚部可达到2.55，方形、圆形点缺陷产生缺陷模消失。方形、圆形点缺陷失去对THz信号光的“吸收”效果，THz信号光可顺利通过波导，光开关处于通状态。
强度为1且波长为63.366μm的太赫兹波单波长入射到光开关，工作状态为“通”时的透过率约为0.984，工作状态为“断”时的透过率约为1.2×10-5，可得当63.366μm单波长入射时插入损耗为0.07dB，消光比为49.14dB。
强度为1且波长为68.587μm的太赫兹波单波长入射到光开关，工作状态为“通”时的透过率约为0.991，工作状态为“断”时的透过率约为7.6×10-4，因此可得当68.587μm单波长入射时插入损耗0.04dB，消光比为31.15dB。
强度为1且波长为65.181μm的太赫兹波单波长入射到光开关，工作状态为“通”时的透过率约为0.991，工作状态为“断”时的透过率约9.8×10-4，可得当65.181μm单波长入 射时插入损耗0.04dB，消光比为30.05dB。
强度为1且波长为68.358μm的太赫兹波单波长入射到光开关，工作状态为“通”时的透过率约为0.973，工作状态为“断”时的透过率约为7.7×10-4，可得当68.358μm单波长入射时插入损耗0.12dB，消光比为31.02dB。