新型高速调制太赫兹波调制器理论研究

赵国中，陈鹤鸣

（南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210023）

0 引言

太赫兹（THz，Terahertz）波处于微波和红外光波之间的电磁波，频率位于0.1～10 THz。太赫兹波在无线传输速度上可以达到10 GB/s，比当今使用的宽带技术快几百至一千多倍，能够解决对未来高速率无线通信的需求，因此太赫兹波调制器作为太赫兹波段无线通信系统中的重要部件，具有广阔的应用前景和实际价值[1]。

本文设计出一种基于复式三角晶格光子晶体聚苯胺填充材料的太赫兹波调制器。引入点、线缺陷，利用点缺陷处聚苯胺的光控特性实现点缺陷处的缺陷模的动态迁移，实现对太赫兹波的通、断调制。仿真结果表明该调制器与现有的太赫兹波调制器相比，具有响应时间短、调制速率高等优点。

1 调制器结构和调制机理

1.1 调制器结构

图1为本文提出的复式三角晶格光子晶体太赫兹波调制器。晶格常数a=30 µm，由21×23个介质柱组成。介质柱为圆形高纯硅，在太赫兹波段折射率为3.4，损耗可忽略。圆形介质柱半径r=5 µm，方形介质柱边长为b=9 µm。基底介质为空气，其在太赫兹波段的折射率为1.0，点缺陷处填充聚苯胺材料，点缺陷尺寸为R=2.2 r。

如图1所示，在完整复式三角晶格光子晶体结构的中心引入一条线缺陷，线缺陷类似于传输太赫兹波的波导。在线缺陷的旁边引入一个点缺陷，主要用于对太赫兹波进行选频，使符合谐振频率（即缺陷模）的太赫兹波被限制在点缺陷处。点缺陷中填充聚苯胺材料，其特性是外部未施加泵浦光时，聚苯胺的折射率实部为1.50；施加泵浦光激励时，外加的调制激励光源采用1064 nm 的YAG激光器，泵浦光强为30 GW/cm2，聚苯胺的折射率 n变为1.55[2-3]。这种特性能够通过对点缺陷处的缺陷模的光控来实现对点缺陷处的太赫兹波的“通、断”调制。

图1 新型高速调制的太赫兹波调制器结构模型

1.2 调制机理

图2给出了该调制器的基本原理示意图，实线表示的是光子带隙和缺陷模频率原位置，虚线表示的是调制后缺陷模频率的位置。

图2 新型高速调制的太赫兹波调制器原理

如图2所示，对于点、线缺陷光子晶体，原本在带隙中形成的点、线缺陷共振缺陷模，位于缺陷频率处的信号光频率原先可以通过调制器，即图2中实线表示的“通”调制；图2所示虚线为缺陷模迁移原理实现调制后的缺陷模位置，点、线缺陷的共振缺陷模频率的位置随外界激励的改变而发生动态迁移，信号光频率不再处于缺陷态处，因此信号光便不能通过调制器，实现“断”调制。

2 仿真结果分析

利用时域有限差分法（FDTD）仿真计算图1所示的太赫兹波调制器的性能。调制器由21×23个硅介质柱组成，厚度设计为5个晶格常数，晶格常数 a=30 µm，尺寸为630µm×690µm×150µm，调制器四周设有完美匹配层（PML）。

2.1 太赫兹调制器的调制过程

当点缺陷处无泵浦光时，聚苯胺的线性折射率为1.50，调制器处于“通”的状态，利用 RSoft软件中的FullWAVE模块仿真可以得到点缺陷处的缺陷模频率，如图3所示（纵坐标的数量级为104）。

图3 无泵浦光时的缺陷模

由图3可知，点缺陷处的缺陷模波长为73.846μm,可调制的载波频率为4.06 THz，品质因子Q值为254。频率为4.06 THz的太赫兹载波信号在点缺陷处无法谐振，因而无法通过调制器。

当30 GW/cm2的泵浦光强打在点缺陷上时，聚苯胺的折射率变为1.55，原本可通过的4.06 THz载波信号无法再调制，调制器处于“断”的状态，利用RSoft软件中的FullWAVE模块仿真可以得到点缺陷处的缺陷模频率迁移图，如图4所示（纵坐标的数量级为104）。

图4 外界泵浦光激励后缺陷模迁移

由图4可知，当30 GW/cm2的泵浦光强入射在点缺陷上，缺陷模频率发生了动态迁移，缺陷模波长从73.846 µm 迁移至74.653 µm（对应频率 4.01 THz）。频率为4.06 THz的太赫兹载波信号在点缺陷处无法再次谐振。

2.2 太赫兹波调制器的性能分析

将太赫兹波源设置为波长为4.06 THz的连续波调制，幅度为1，监视器设置在调制器的出口处。图5和图6为点缺陷不加泵浦光，调制器表现为“通”时，稳态太赫兹波场强 Ey分布图和时域稳态响应图。图7和图8为点缺陷处加泵浦光，调制器表现为“断”时，稳态太赫兹波场强Ey分布图和时域稳态相应图（图6、图8的横坐标数量级为1010）。

图5 “通”状态下的稳态场强分布

图6 “通”状态下的时域稳态响应

图7 “断”状态下的稳态场强分布

图8 “断”状态下的时域稳态响应

由图5和图6可知，未施加泵浦光激励，调制器达到稳定“通”状态时，4.06 THz波的透过率为0.93114；由图7和图8可知，施加泵浦光激励，调制器达到稳定“断”状态时，太赫兹波的透过率为0.00629。根据调制器的插入损耗、消光比[4]的定义，当入射波长为4.06 THz时，调制器的插入损耗值为0.31 dB，消光比约为21.7 dB。

由图 6和图 8所知，基于聚苯胺材料的太赫兹波调制器达到 “通”状态所需的稳定时间约为100 ps，达到“断”状态所需的稳定时间约为80 ps，“通”状态的稳定时间比“断”状态的稳定时间长。因此基于聚苯胺材料的太赫兹波调制器的稳定时间决定于“通”状态的稳定时间，即100 ps。非线性光控材料聚苯胺的受泵浦光调制的响应时间约为飞秒量级[2-3]，因此太赫兹波调制器的整体响应时间为100 ps，因此调制器的调制速率最高能达10 GHz。

3 结语

本文提出了一种新型调制速率高的太赫兹波调制器。引入点、线缺陷结构，在点缺陷处填充光控非线性材料聚苯胺。通过施加泵浦光来改变其折射率，改变点缺陷处的缺陷模，从而实现对不同太赫兹波长“通、断”调制的目的。仿真结果表明:该调制器对4.06 THz的入射太赫兹波调制的插入损耗分别为0.31 dB，消光比为和21.7 dB，响应时间为100 ps，调制速率为10 GHz。与目前研究的各类光子晶体太赫兹调制器相比，这种基于复式三角晶格光子晶体的聚苯胺材料的太赫兹波调制器具有响应时间短和调制速率高的优点，在将来的高速太赫兹通信系统中[5-7]具有重要的应用价值。

[1]姚建铨,迟楠,杨鹏飞.太赫兹通信技术的研究与展望[J].中国激光,2009,36(09):2215.

[2]ANDO M, MATSUPA H. Optical Third-harmonic Generation in Polyanline Cast films[J]. Polymer Journal,1993,25(04):417-420.

[3]NGUEMA E, VIGNERAS V, MIANE J L, et al. Dielectric Properties of Conducting Polyaniline Films by THz Time-domain Spectroscopy[J]. European Polymer Journal,2008,44(01):124-129.

[4]LU Jun,WANG Dan, CHEN Yafu. Photoelectronic Device Physics[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2009:233-245.

[5]刘燕燕,张斌.光子晶体光纤在有线电视传输系统中的应用[J].通信技术,2008,41(08):113-115.

[6]刘玉贵,刘云.全光网通信的实现[J].通信技术,2008,41(10):174-176,179.

[7]李云根,朱甫臣.量子密钥分配系统相位调制器驱动电路设计[J].信息安全与通信保密,2010(08):73-75.