光子晶体上单双三频点上的hz波分析模型

光子晶体上单双三频点上的hz波分析模型

1微波信号网络的应用泰兹辐射通常指的是频率为0.1.10hz（1吨/1012hz）范围内的辐射。THz辐射既处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,又是电子学向光学的过渡区域。由于所处的特殊频段使其具有极其优越的特性和非常重要的学术研究价值及广泛应用前景而获得各国科技工作者的青睐。THz波是很好的宽带信息载体,它比微波的带宽和讯道数多得多,可以获得10GB/s的无线传输速度,比目前的超宽带技术快几百倍甚至一千倍,而且与可见光和红外线相比,它具有极高的方向性和极强的云雾穿透能力。因此THz波在通信方面的应用,如卫星间通信、短程大气通信、短程地面无线局域网通信等,一直受到高度重视。在载波通讯系统中,一个必须要考虑的问题之一就是针对特定频率或者窄带信号的上/下载处理。普通的上/下载元件在THz频段很难有好的性能,但是恰当地运用光子晶体将很好地解决该问题。SusumuNoda曾证明在一个既包含线缺陷波导又包含点缺陷微腔的光子带隙结构中,其线缺陷附近的这个点缺陷微腔可以吸收和发射光子,而且这种谐振结构具有很高的Q值。他的研究结果可应用到非常紧凑的表面发射型频率上/下载(或频率监测)设备,但该结构不能满足2或3个频点同时上/下载的要求,本文针对不同缺陷组成的谐振腔结构在THz频段的上/下载特性进行研究,结果表明单缺陷、双缺陷及由3个点缺陷组成的L形谐振腔结构可分别满足单、双频点及三频点上/下载的要求,从而进一步提高器件的工作效率。2模拟2.1相关系数的监测点及振幅频率为简单起见,先研究单缺陷形成的上/下载滤波器的特性,该上/下载滤波器基于硅(Si)圆柱在空气中排列组成的二维正方形结构设计的。晶格常数a选定为100μm,这是因为根据光子晶体尺寸周期结构缩放性,可以很容易估计到它的导光频率为THz或者远红外频段。另外基于由介质柱在空气中排列组成的二维光子晶体结构可以通过在两块平行的金属板波导之间的缝隙插入相同结构的光子晶体实现。高阻高纯本征硅在THz频段具有低的吸收率,而且其折射率波动较小可认为是3.418,所以在仿真时选定其为介质柱材料。根据由Si圆柱在空气中排列组成的二维四边形结构的光子禁带随半径的变化,可知在半径r=18μm其有相对较宽的TE禁带,因此在这里选定介质柱的半径为18μm。图1为典型的四边形结构的光子带隙结构示意图。图1中圆圈表示半径为18μm的硅柱在空气中形成的周期为100μm的二维光子晶体,M是对应点缺陷的监测点。图1中由线缺陷形成的直波导是通过将正方形二维光子晶体中去除一排介质柱形成,直波导附近的点缺陷如图1所示,其坐标分别为(300,0)、(300,100)、(400,0)、(300,-100)和(200,0)。相对坐标(300,0)而言,各点缺陷分别被称为中、上、右、下和左点缺陷。波导的上/下载特性通过时域有限差分方法仿真,其边界条件为4次理想匹配边界,当输入信号为时间卷积的高斯脉冲,经傅里叶快速变换,可计算出监测点M的幅频特性,在图1中相应的监测点就是对应的点缺陷坐标。图2表示的是光子晶体带隙结构中不同点缺陷的上/下载特性。图2显示输入脉冲经过直波导传输后,都存在被耦合到点缺陷中的现象,这是因为点缺陷具有很强的局域态,而且对应于特定的谐振频率和品质因数。从图2可以看到中心点缺陷的峰值位于1.149THz,值为0.2060;上点缺陷的峰值位于1.149THz,值为0.1906;右点缺陷的峰值位于1.14THz,值为0.0506;下点缺陷的峰值位于1.149THz,值为0.2174;左点缺陷的峰值位于1.155THz,值为0.7638。从图2可以看到上、中、下3种点缺陷的谐振频率一致,这是因为在线缺陷中传播的信号使电磁场对称于直波导平行分布,上、中、下3个点缺陷相对平行于线缺陷形成的直波导,所以从直波导中获得差不多的能量,从而产生相同的谐振频率。但是它们的幅度有差异,从0.1906增加到0.2174,幅度差异的原因很明显,因为相对而言下缺陷更靠近波导输入端,因而可以获得相对更多的能量。从图2还可以看到,当点缺陷的位置从左缺陷沿垂直于直波导的方向变化到右缺陷,谐振频率从1.155THz降到1.14THz,幅度从0.7638降到0.050,这可以理解为越接近直波导,就可以获得更多的能量,从而导致幅度和谐振频率向上移动。从图2还可以看到,在垂直于直波导传播方向点缺陷的谐振频率和幅度对位置比较敏感,相对而言平行于直波导的点缺陷的谐振频率和幅度就不敏感。另外根据幅度可以判断点缺陷谐振腔的品质因数Q,左点缺陷Q值最大,右点缺陷Q值最小,这与点缺陷从直波导耦合的能量有关,即与点缺陷的位置有很大关系。从图2可以看到,不同的点缺陷具有不同的局域态,其组成的上/下载滤波器可以上/下载不同频率和幅度的THz波,这可应用于单载波通信系统及单频点频率监测系统中。2.2单点缺陷仿真模型现在讨论由两个点缺陷组成的双点缺陷的上/下载特性。图3为双点缺陷在四边形结构的光子带隙结构示意图。图3中圆圈表示半径为18μm的Si柱在空气中形成的周期为100μm的二维光子晶体。图3(a)为单点缺陷,图3(b)～(e)分别为上、右、下和左双点缺陷。M是对应监测坐标均为(300,0)。为方便比较,将(300,0)处的点缺陷继续放在图3(a);图3(b)由上和中点缺陷组成,将光子晶体中(300,0)和(300,100)处的介质柱去除后形成,称为上双缺陷;图3(c)由中和右点缺陷组成,将光子晶体中(300,0)和(400,0)处的介质柱去除后形成,称为右双缺陷;图3(d)由中和下点缺陷组成,将光子晶体中(300,0)和(300,-100)处的介质柱去除后形成,称为下双缺陷;图3(e)由中和左点缺陷组成,将光子晶体中(300,0)和(200,0)处的介质柱去除后形成,称为左双缺陷。仿真的条件和方法与前面单缺陷上/下载滤波器的相同,为比较这些不同类型缺陷的上/下载特性,在它们的共同点缺陷坐标(300,0)处设置如图所示监测点M。图4表示的是图3所示的不同光子带隙结构在(300,0)处的上/下载滤波特性。从图4可知,单点缺陷的谐振峰位于1.149THz,值为0.2060;上双缺陷的峰值位于1.047THz,值为0.2106,次峰值位于1.257THz,值为0.1093,峰间频率间隔为0.21THz;右双缺陷峰值位于1.038THz,值为0.1074,次峰值位于1.275THz,值为0.0663,峰间频率间隔为0.237THz;下双缺陷峰值位于1.041THz,值为0.2647,次峰值位于1.287THz,值为0.1045,峰间频率间隔为0.246THz;左双缺陷峰值位于1.065THz,值为0.3473,次峰值位于1.218THz,值为0.1740,峰间频率间隔为0.153THz。从图4可以看到单缺陷只有一个谐振峰,与之相反的是所有的双缺陷结构都有两个谐振峰。这是因为微腔谐振结构的变化,导致局域态和本征模式发生变化,从而谐振频率随结构变化而分裂。比较双缺陷谐振的峰值和次峰值,可以发现左双缺陷的峰值最大,右双缺陷的峰值最小,原因在于左双缺陷从直波导中耦合到较多的能量,而右双缺陷耦合到相对较少的能量。从图4可以看到,当两个点缺陷组成的双缺陷时,由于谐振腔的能级分裂,因而可以同时上/下载两个频率。这可应用于双载波通信系统及双频点频率监测系统中。2.33缺陷组成的上/下载滤波特性图5表示3个紧挨着的点缺陷可能组成的光子带隙结构。图5中圆圈表示半径为18μm的Si柱在空气中形成的周期为100μm的二维光子晶体。图5(a)和(b)分别为3个点缺陷组成的垂直和平行于中间直波导的短直波导。图5(c)～(f)分别为上左、上右、下左和下右4种L形缺陷。M是对应点缺陷的监测坐标。图5(a)是将光子晶体中(200,0)、(300,0)和(400,0)处的介质柱去除后形成,图5(b)是将光子晶体中(300,-100)、(300,0)和(300,100)处的介质柱去除后形成。图5(c)～(f)分别为上左、上右、下左和下右4种L形缺陷,图5(c)是将光子晶体中(200,0)、(300,0)和(300,100)处的介质柱去除后形成,图5(d)是将光子晶体中(300,100)、(300,0)和(400,0)处的介质柱去除后形成,图5(e)是将光子晶体中(200,0)、(300,0)和(300,-100)处的介质柱去除后形成,图5(f)是将光子晶体中(300,-100)、(300,0)和(400,0)处的介质柱去除后形成。信号从中间直波导输入,通过在每个点缺陷设置监测点来研究上/下载滤波特性,仿真方法和条件与前面单缺陷上/下载滤波器的相同。图6表示的是由3个点缺陷组成的垂直于中间直波导的光子带隙结构的上/下载滤波特性。从图6可以看到,(300,0)处有两个幅度差别不大的谐振点,分别是1.038THz处的0.1621和1.173THz处的0.0771;(200,0)处有幅度差别大的两个谐振点,分别是0.987THz处的0.0990和1.137THz处的0.4479;(400,0)处也有幅度差别大的两个谐振点,分别是1.137THz处的0.4242和1.284THz处的0.0717。从图6还可以看到,垂直于中间直波导光子带隙结构的两个端点有幅度差别大的两个谐振峰,直波导的中间位置有幅度差别不大的两个谐振峰。图7表示的是由3个点缺陷组成的平行于中间直波导的光子带隙结构的上/下载滤波特性。从图7可以看到,(300,0)处有两个幅度差别不大的谐振点,分别是1.017THz的0.1811和1.347THz的0.0978,峰间频率间隔0.33THz;(300,-100)处有两个幅度差别较大的谐振点,分别是1.122THz的0.2541和1.347THz的0.0845。(300,100)处有两个幅度差别不大的谐振点,分别是1.14THz的0.2314和1.299THz的0.0968;另外在1.023THz处存在一个幅度为0.1377的不明显的谐振峰。从图7还可以看到,平行于中间直波导光子带隙结构的两个端点有幅度差别大的两个谐振峰,直波导的中间位置有幅度差别不大的两个谐振峰。从图6和7可以看到,不管是垂直还是平行于中间的直波导,由3个点缺陷组成的直波导光子带隙结构的上/下载滤波特性都具有一个以上的谐振频率。缺陷谐振腔结构的变化导致缺陷谐振腔局域态变化,并最终导致谐振模式和状态发生改变。每个点缺陷监测结果的不同可以解释为其对应的本征模式不同,因而从中间传输信号的直波导中耦合到不同的模式。另外由3个点缺陷组成不同形式的垂直于或者平行于中间直波导的结构从中间直波导耦合到的能量也不一样,从而导致在不同点缺陷谐振微腔中相同的坐标(300,0)具有不同的谐振值。从图6和7可以看到一个共同点就是在由3个点缺陷组成的直的谐振微腔结构中,两个端点的谐振峰值大于中间的谐振峰值,这个特点可以从参考文献中得到解释,谐振微腔可理解为被反射能量的墙所包围,在端点位置有3面反射能量的墙,在中间位置只有两面反射能量的墙,反射能量的墙越多,获得的能量就越多,最终导致处于中间位置的点缺陷获得较少的能量,其谐振峰值也相对较小。从图2可以看到(200,0)处点缺陷的峰值大于(400,0)处点缺陷的峰值,相似的原因导致在3个点缺陷组成的垂直直波导结构中(200,0)的谐振峰值大于(400,0)处的峰值。3个点缺陷组成的平行直波导结构中(300,-100)和(300,100)处的谐振峰值差异也可作相似的解释。图8表示的是由3个点缺陷组成的上左L形光子带隙结构的上/下载滤波特性,图8可以看到,(300,0)处有3个幅度差别不大的谐振峰,分别是1.053THz处的0.1172、1.176THz处的0.0832和1.281THz处的0.0940;(200,0)处有两个幅度差别较大的谐振点,分别是1.014THz处的0.1257和1.158THz处的0.4085;(300,100)处有两个幅度差别较大的谐振点,分别是1.008THz处的0.0841和1.161THz处的0.4053。图9表示的是由3个点缺陷组成的下左L形光子带隙结构的上/下载滤波特性。从图9可以看到,(300,0)处有3个幅度差别不大的谐振点,分别是1.035THz的0.1363、1.158THz的0.075和1.266THz的0.0866;(200,0)处有两个幅度差别较大的谐振点,分别是1.161THz的0.3993和1.287THz的0.1003;(300,-100)处有两个幅度差别较大的谐振点,分别是1.011THz的0.1560和1.161THz的0.4047。图10表示的是由3个点缺陷组成的上右L形光子带隙结构的上/下载滤波特性。从图10可以看到,(300,0)处有两个幅度差别不大的谐振点,分别是1.014THz的0.1026和1.326THz的0.0845;(400,0)处有一个主要的谐振峰位于1.059THz,其值为0.0966;(300,100)处有3个幅度差别不大的谐振点,分别是1.017THz的0.0883,1.161THz的0.1312和1.311THz的0.0806。图11表示的是由3个点缺陷组成的下右L形光子带隙结构的上/下载滤波特性。从图11可以看到,(300,0)处有3个幅度差别不大的谐振点,分别是1.017THz的0.1302、1.155THz的0.0402和1.317THz的0.0809;(400,0)处有3个幅度差别不大的谐振点,分别是1.023THz的0.1196、1.164THz的0.1364和1.311THz的0.0749;(300,-100)处有3个幅度差别不大的谐振点,分别是1.014THz的0.0661、1.134THz的0.0927和1.338THz的0.0677。从图8～11可以看到,由3个点缺陷组成的L形谐振腔结构中,3个点缺陷位置的谐振频率、幅度和形状等都有较大差别,但是它们有一个共同点