本文關鍵詞：某于多重晶格光子晶體高速多波長THz波調(diào)制器的研究

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【摘要】：THz波是介于微波段與紅外波段之間的電磁波,具有豐富的頻譜帶寬,良好的穿透性能以及低光子能量,在頻譜分析、成像和寬帶通信等領域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著現(xiàn)代移動流量的劇烈增長,未來無線THz通信傳輸速率需求將會達到數(shù)十Gb/s,研究頻譜利用率高的THz波調(diào)制技術(shù)成為了亟須發(fā)展的方向。高速多波長THz波調(diào)制器的研究對于波分復用THz無線通信系統(tǒng)具有重要意義。光子晶體具有周期性介電質(zhì)結(jié)構(gòu),因其獨特的禁帶效應以及光子局域特性,可以自由控制光子的傳播。光子晶體有望在THz功能器件的研制中發(fā)揮重要的作用,從而為THz通信系統(tǒng)的集成化和小型化作出貢獻。隨著通信技術(shù)的日趨成熟以及科學研究進一步深入的需要,采用光子晶體實現(xiàn)高速,插入損耗低,消光比高的THz波調(diào)制器已經(jīng)成為THz波調(diào)制技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。本文研究的各種THz波調(diào)制器均以光子晶體為載體。本文圍繞著THz波無線通信系統(tǒng)中所應用的光子晶體多波長THz波調(diào)制器展開研究。在多種晶格光子晶體中,引入光學非線性材料使其成為折射率可調(diào)諧光子晶體,通過光控和磁控等調(diào)制手段來引起諧振腔中的缺陷模的變化,進而實現(xiàn)對THz波的通斷調(diào)制。本文分別研究了不同調(diào)制手段下的光子晶體THz波調(diào)制器的設計原理、器件結(jié)構(gòu)和性能,主要內(nèi)容包括:(1)改進耦合模理論(CMT),應用改進后CMT分析多重晶格組合微腔中缺陷模的諧振譜和模場分布,其中模式頻譜由本征態(tài)耦合系數(shù)KS決定,而線性疊加系數(shù)K nA則是影響本征態(tài)模場分布的主要因素。利用時域耦合模理論(TCMT)分別對多模單腔直接耦合結(jié)構(gòu)和單模多腔異側(cè)耦合結(jié)構(gòu)的光子晶體調(diào)制器進行了理論推導,推導出多個波長光波入射時,調(diào)制器透射率表達式。(2)提出了基于復式晶格的光控多波長THz波調(diào)制器。設計復式晶格直接耦合結(jié)構(gòu)的四波長THz波調(diào)制器,探討點缺陷位置變化對調(diào)制性能的影響,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),優(yōu)化后該太赫茲波調(diào)制器的消光比為44.5dB,插入損耗為0.23dB,調(diào)制速率約為7.1GHz。利用復式晶格異側(cè)耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)六波長THz波調(diào)制,消光比為11.2dB,插入損耗為0.04dB,調(diào)制速率為4.17GHz。研究結(jié)果表明,采用異側(cè)耦合結(jié)構(gòu)更適用于復式晶格多波長(載波數(shù)量大于4)THz波調(diào)制器的設計,在插入損耗以及信道隔離度性能方面占據(jù)優(yōu)勢;而直接耦合結(jié)構(gòu)復式晶格的四波長THz波調(diào)制器在消光比方面更優(yōu)。(3)分別提出了基于三重晶格單腔與組合微腔的光控多波長THz波調(diào)制器。將組合微腔和波導直接耦合構(gòu)成調(diào)制器,利用時域耦合模理論(TCMT)和時域有限差分法(FDTD)對調(diào)制器的性能進行分析。研究結(jié)果表明,利用不同點腔構(gòu)成組合微腔的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)四波長THz波的“通”、“斷”調(diào)制,其消光比為34.08dB,插入損耗僅為0.21dB,調(diào)制速率為4GHz;基于相同點腔構(gòu)成組合微腔的THz波調(diào)制器可分別實現(xiàn)五、六、八波長的THz波調(diào)制,三重晶格多波長THz波調(diào)制器具有消光比大,插入損耗小,無信道串擾的優(yōu)勢。(4)提出了基于磁化等離子體光子晶體的磁控THz波調(diào)制器,將諧振腔和波導直接耦合連接構(gòu)成調(diào)制器,利用FDTD方法分析該調(diào)制器分別在垂直磁場傳播和平行磁場傳播時的穩(wěn)態(tài)場強分布和時域穩(wěn)態(tài)響應。結(jié)果表明,當TE波傳輸方向與外加磁場垂直時,磁場和點缺陷半徑尺寸的變化會造成缺陷模式的遷移和消失。調(diào)節(jié)InSb介質(zhì)柱半徑尺寸2r為8.228μm和13.997μm時,控制磁場強度為0T和1.26T時,分別可實現(xiàn)頻率在3.2-3.25THz范圍內(nèi)的缺陷模消失型調(diào)制器,以及頻率落在1.95-2.0THz范圍內(nèi)的遷移型調(diào)制器,前者性能更優(yōu),其消光比高達33.61dB,插入損耗為0.36dB,調(diào)制速率達到4GHz;當TE波傳輸方向平行于外加磁場時,單頻光在諧振腔中分裂成左旋以及右旋圓偏振光,控制磁場強度為0T和0.8T時,實現(xiàn)對左旋右旋光的遷移型調(diào)制,消光比高達29.13dB,插入損耗僅為0.08dB,調(diào)制速率為8GHz。綜上所述,本文不僅分析了多重晶格組合微腔的模式諧振譜和模場分布,還分別利用TCMT理論和FDTD方法計算仿真了基于多重晶格多波長調(diào)制器的性能指標,分析了影響調(diào)制器性能的各種參數(shù)。設計了基于復式晶格、三重晶格的光控THz波調(diào)制器以及基于磁光效應的光子晶體磁控THz波調(diào)制器,調(diào)制速率均達到4GHz以上。這些成果對THz無線通信調(diào)制技術(shù)具有重要學術(shù)意義和潛在應用價值。
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN761

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