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        含Kerr介質(zhì)二維光子晶體濾波器的設(shè)計*

        2021-03-04 08:39:38李支新蘇慕陽
        吉首大學學報(自然科學版) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:點缺陷透射率能帶

        李支新,孫 晶,吳 聰,蘇慕陽

        (吉首大學物理與機電工程學院,湖南 吉首 416000)

        硅因具有體積小、效率高、壽命長和可靠性強等優(yōu)點,常被應(yīng)用于濾波器[1]、光子晶體光開關(guān)[2]、二極管[3]和激光器[4]等器件的制作中.利用硅基制作光子晶體濾波器,由于硅的非線性系數(shù)和載流子效應(yīng)會限制器件的響應(yīng)速度,從而導致濾波效果不理想等問題,于是人們致力于硅材料制作的晶體濾波器的結(jié)構(gòu)改造,希望獲得高透射率光子晶體濾波器.例如,陳鶴鳴等[5]設(shè)計出基于缺陷模遷移原理的光子晶體全光開關(guān),即在點缺陷處填充Kerr型非線性材料(有機聚合物PDA-PTS),使得缺陷模式在控制光作用下發(fā)生遷移,實現(xiàn)對信號光的控制.考慮到GaAs是一種優(yōu)良的Kerr介質(zhì)材料[6],比Si的禁帶寬度大、介電常數(shù)小,筆者擬參考在點缺陷處填充Kerr介質(zhì)調(diào)節(jié)介質(zhì)折射率的方法,將濾波器的耦合腔和異質(zhì)結(jié)介質(zhì)柱移除后填充GaAs材料,并通過控制耦合腔介質(zhì)柱邊長來調(diào)控耦合腔頻率,以期進一步提高濾波器的濾波效果.

        1 原理分析

        (1)

        其中S+2為波導端口的輸出波.根據(jù)功率守恒和時間反轉(zhuǎn)對稱性原理,端口的輸入波(S+i)與輸出波(S-i)之間的關(guān)系為

        (2)

        結(jié)合(1)式和(2)式,可得反射率(A)和透射率(B)的計算公式為

        假設(shè)S-1=0或S+1=0時,即波導中僅有1個光波傳輸時,傳輸系數(shù)

        (3)

        其中τ1=τ2.由(3)式可知,當入射光的頻率等于耦合腔的耦合頻率時,多數(shù)光會被耦合.在對稱且無損耗的結(jié)構(gòu)中τ1=τ2,當ω=ω0時,T=1,即光被全部傳輸.由于耦合腔的結(jié)構(gòu)對τ1和τ2的影響比較大,因此可以通過改變耦合腔的參數(shù)來控制這一變化.

        2 模型建立

        新濾波器介質(zhì)柱使用的材料是Si和GaAs.Si介質(zhì)柱按照周期函數(shù)排列于空氣中,晶格常數(shù)ɑ=528.6 nm,介電常數(shù)ε=11.56,介質(zhì)柱半徑d=95.1 nm.利用平面波展開法(Plane Wave Expansion Method,PWM)求Si的能帶(圖1(a)),得到禁帶頻率范圍為89.6~143.18 THz.GaAs介質(zhì)柱也按照周期函數(shù)排列于空氣中,晶格常數(shù)ɑ=556 nm,介電常數(shù)ε=12.9,介質(zhì)柱半徑d=159.7 nm.利用PWM求GaAs的能帶(圖1(b)),得到禁帶頻率范圍為230.2~272 THz.

        圖1 晶格能帶

        點缺陷是調(diào)節(jié)完整平面內(nèi)某一介質(zhì)柱的半徑大小而形成的,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,點缺陷介質(zhì)柱半徑為159.7 nm.由于點缺陷的形成過程中移除了1個介質(zhì)柱,整體介質(zhì)柱排列不再符合周期性函數(shù),因此點缺陷介質(zhì)柱的半徑?jīng)Q定了特定的諧振波的波長,兩者成正比.

        圖2 點缺陷結(jié)構(gòu)

        反射異質(zhì)結(jié)是增大主波導輸出端兩側(cè)介質(zhì)柱半徑而形成的,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,材料為GaAs,介質(zhì)柱半徑為159.7 nm.利用PWM求異質(zhì)結(jié)的能帶(圖4),可知172.8~189.5 THz范圍內(nèi)的光不能通過反射異質(zhì)結(jié)線缺陷傳輸.結(jié)合圖1(a)和圖4,確定本模型的研究區(qū)間為172.8~189.5 THz,在此區(qū)間內(nèi),異質(zhì)結(jié)具有100%反射作用.

        圖3 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

        圖4 異質(zhì)結(jié)能帶

        耦合腔是移除平面內(nèi)某一介質(zhì)柱并將該介質(zhì)柱相鄰(豎直方向)的2個介質(zhì)柱替換為正方形介質(zhì)柱而形成的,其結(jié)構(gòu)如圖5所示,耦合腔介質(zhì)柱半徑為159.7 nm.利用PWM求耦合腔的能帶(圖6),得到本征頻率[13-14]為1.180 1,1.248 0,1.950 6 THz.

        圖5 耦合腔結(jié)構(gòu)

        圖6 耦合腔能帶

        仿真3個本征頻率對應(yīng)的模場分布,結(jié)果如圖7所示.

        圖7 本征頻率的模場分布

        圖7中,陰影部分代表電場在本區(qū)域內(nèi)的正值.線缺陷和點缺陷對稱的模式[15]為:當豎直或水平方向上對稱軸兩側(cè)的電場在該區(qū)域內(nèi)的顏色相同(即分布相同)時,點缺陷和線缺陷的缺陷態(tài)在該方向上對稱;當豎直或水平方向上對稱軸兩側(cè)的電場在該區(qū)域內(nèi)的顏色不相同(即分布不相同)時,點缺陷和線缺陷的缺陷態(tài)在該方向上反對稱.據(jù)此,確定模型的耦合腔本征頻率為118.01 THz.

        線缺陷波導是在1×7超胞結(jié)構(gòu)內(nèi)移除平面中間的一排介質(zhì)柱而形成的,其結(jié)構(gòu)如圖8所示.利用PWM求線缺陷的能帶(圖9),得到禁帶頻率范圍為89.6~143.18 THz,模場分布如圖10所示.

        圖8 線缺陷結(jié)構(gòu)

        圖10 線缺陷的模場分布

        新濾波器由點缺陷、微腔、下載波導、反射異質(zhì)結(jié)和主波導構(gòu)成(圖11).

        圖11 新濾波器結(jié)構(gòu)示意

        新濾波器傳輸過程是:光信號由輸入端開始輸入,經(jīng)主波導傳輸至微腔附近時,與微腔共振頻率相同的光信號會被耦合腔耦合,其余光信號繼續(xù)沿著下載波導輸出.當光信號經(jīng)過主波導和微腔時,絕大多數(shù)的光會以向前波或向后波形式傳輸?shù)街鞑▽?,透射率非常低,因此筆者通過增大輸出端兩側(cè)介質(zhì)柱半徑來形成反射異質(zhì)結(jié)(100%反射作用),異質(zhì)結(jié)介質(zhì)柱和耦合腔介質(zhì)柱都使用GaAs.

        根據(jù)圖11構(gòu)建光子晶體單向下載濾波器模型,如圖12所示.

        圖12 光子晶體單向下載濾波器模型

        3 仿真計算

        設(shè)耦合腔介質(zhì)柱邊長起始值為r,利用COMSOL Multiphysics軟件對新濾波器進行仿真計算,不同耦合腔介質(zhì)柱邊長的透射率(峰值段)如圖13所示.其中,圖13(a)~(c)是耦合腔介質(zhì)柱邊長增量為r時的結(jié)果,圖13(d)和(e)是增量為0.25r時的結(jié)果.

        圖13 不同耦合腔介質(zhì)柱邊長的透射率

        由圖13(a)~(c)可見:耦合腔介質(zhì)柱邊長為由r增至2r時,透射率小幅增加,但峰值較低;再增至3r時,透射率增幅明顯,峰值較高.由圖13(d)和(e)可見:耦合腔介質(zhì)柱邊長為3.25r時,透射率峰值可以達到99.7%;再增至3.5r時,透射率大幅減小,峰值很低.考慮到器件尺寸,確定新濾波器的耦合腔介質(zhì)柱邊長為3.25r,此時濾波效率可以達到99.7%.

        4 結(jié)語

        利用Kerr介質(zhì)的介電常數(shù)隨著入射光強的變化而變化的特性,通過控制耦合腔介質(zhì)柱邊長來改變耦合腔頻率的方法設(shè)計出一款新型的二維光子晶體濾波器.利用COMSOL Multiphysics軟件對新濾波器進行仿真計算,結(jié)果表明,當耦合腔介質(zhì)柱邊長為3.25r時,透射率峰值可以達到99.7%(接近100%).考慮到器件尺寸,確定新濾波器的耦合腔介質(zhì)柱邊長為3.25r,此時濾波效率可以達到99.7%.由新濾波器結(jié)構(gòu)尺寸小,易于制作,且濾波效率較高,在濾波器研究方面具有極大的參考利用價值.

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