光控双波长THz波光子晶体调制器特性研究

论文摘要

在当今信息大爆炸的社会中,数据通信业务对带宽的需求日益增长,300GHz以下的无线频谱资源已经耗尽,而THz波(100GHz～10THz)是频谱上的最后一段空白,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。THz波调制器作为THz通信系统中关键的一环,引起了国内外学者的广泛研究。同时,光子晶体作为一种新兴材料,被广泛的用于制作光通信系统中的调制器、光开关、滤波器等各种功能器件。光子晶体技术和THz波技术的相结合为设计出一种THz波调制器提供了新的思路。开展对THz波调制器的研究,可以促进THz通信技术的发展。目前大部分光子晶体太赫兹波调制器只能实现一种波长的太赫兹波的调制,且大多采用液晶等响应时间缓慢的材料,这些都限制了其在高速太赫兹波通信系统中的应用。为了适应高速、超宽带太赫兹波通信系统的发展,使太赫兹波调制器具有调制速率高、低插损、且能同时实现两个波长的调制,本文提出了一种新型的基于非线性光子晶体的光控双波长太赫兹波调制器,使其工作在太赫兹波段,具有实际的应用价值。本文首先介绍了光子晶体对THz波实现“通”、“断”调制的机理,重点讨论基于缺陷模迁移或改变型的光子晶体的实现。然后设计并讨论了光子晶体的材料以及结构,最终得出基于点、线缺陷组合的侧耦合结构的光子晶体在调制性能上更为优秀。在完成对调制器结构设计的基础上,通过引入响应时间极短的光控非线性材料砷化镓,分别设计了基于点缺陷和椭圆缺陷的缺陷模变化型光子晶体THz波调制器。分别仿真计算了两种调制器的时域响应、稳态模场能量分布以及消光比、调制速率等性能参数。为了满足多信道太赫兹波通信的需要,本文设计光控双波长THz波调制器。仿真结果表明,基于一个点缺陷和一个椭圆缺陷的非线性光子晶体可实现两种太赫兹波的调制,并且两个缺陷之间的距离对调制器的性能有一定的影响。最后,结合此光子晶体THz波调制器的特性,讨论了其在未来THz波无线通信系统中的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 THz 波技术简介和研究现状
• 1.1.1 THz 技术简介
• 1.1.2 太赫兹波通信系统
• 1.2 基于光子晶体的THz 波调制器简介
• 1.2.1 光子晶体简介
• 1.2.2 非线性光子晶体简介
• 1.2.3 THz 波调制器的研究进展
• 1.3 光子晶体数值模拟方法简介
• 1.3.1 平面波展开法
• 1.3.2 时域有限差分法
• 1.4 论文研究重点和安排
• 第二章 平面波法和时域有限差分法基本理论
• 2.1 平面波展开法
• 2.2 时域有限差分法
• 2.2.1 FDTD 的基本公式
• 2.2.2 FDTD 的稳定性条件
• 2.2.3 吸收边界的选定
• 2.2.4 激励源的选择
• 2.3 本章小结
• 第三章 THz 波光子晶体调制器的调制原理和结构分析
• 3.1 THz 波光子晶体调制器的调制原理
• 3.2 光子晶体材料的选择和晶格结构的设计
• 3.2.1 太赫兹波段光子晶体材料的选择
• 3.2.2 晶格结构的设计
• 3.3 填充率对带隙结构的影响
• 3.3.1 正方晶格
• 3.3.2 三角晶格
• 3.4 太赫兹波调制器结构的设计
• 3.4.1 完整结构光子晶体的透射谱
• 3.4.2 含有线缺陷的光子晶体透射谱分析
• 3.4.3 微腔的设计
• 3.4.4 波导和微腔的耦合
• 3.4.5 谐振腔品质因子的分析
• 3.4.6 点缺陷对光子晶体透射谱的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 非线性光子晶体THz 波调制器的特性研究
• 4.1 非线性材料砷化镓（GaAs）
• 4.2 基于点缺陷的非线性光子晶体THz 波调制器的性能分析
• 4.2.1 非线性光子晶体THz 波调制器的结构
• 4.2.2 泵浦光对缺陷模影响的分析
• 4.2.3 调制器的性能分析
• 4.3 基于椭圆缺陷的非线性光子晶体THz 波调制器的性能分析
• 4.3.1 基于椭圆缺陷的非线性光子晶体THz 波调制器的设计
• 4.3.2 泵浦光对缺陷模的影响分析
• 4.3.3 基于椭圆缺陷的非线性光子晶体THz 波调制器的性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 光控双波长THz 波光子晶体调制器
• 5.1 基于点缺陷和椭圆缺陷的双波长THz 波调制器的设计
• 5.1.1 光控双波长太赫兹波调制器的结构
• 5.1.2 调制机理
• 5.1.3 仿真结构与分析
• 5.2 各调制器性能的比较与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 双波长THz 波光子晶体调制器在THz 通信中的应用
• 6.1 THz 波通信的前景展望
• 6.2 双波长THz 波调制器在THz 无线通信系统中的应用
• 6.3 THz 通信当前亟待解决的技术问题
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表的论文