基于磁光子晶体的多通道太赫兹波选路开关

发布时间：2020-06-04 14:11

【摘要】：随着通信技术和计算机技术的高速发展,人们对于信息传输和处理的要求也在不断提高。无线通信的快速发展,使得频谱资源日渐匮乏,开发新的频段成为共识,太赫兹(THz)波段的很多频段未被开发使用,因此引起了人们的关注。THz波是指介于微波和红外光之间的波,THz占据的频谱资源更加丰富。近年来掀起了一个研究THz技术的热潮,其中,THz波开关是THz技术必不可少的组成部分。THz波开关主要分为通断开关和具有选路功能的多通道开关,其中,多通道开关由于其具有选路的功能,是THz技术中的重要器件。本文利用磁性材料的磁导率随磁场可变的性质,围绕基于磁光子晶体的多通道THz波选路开关展开了研究,具体工作如下:利用光子晶体的禁带特性、缺陷模理论和磁光子晶体的特性,提出了基于磁光子晶体的恒定磁场控制的1×3、1×4和1×6 THz波选路开关。采用二维正方晶格结构,引入线缺陷和磁光子晶体点缺陷,且点缺陷的尺寸都相同。假设波从某个输出通道输出,只要对相应的一个或几个铁氧体点缺陷施加相同大小的磁场,使得铁氧体的磁导率变化,可以将入射的太赫兹波耦合到相应的通道,从而实现选路开关的功能。利用Rsoft软件,结合平面波展开法(PWE)和时域有限差分法(FDTD),对提出的多通道THz波选路开关进行了仿真分析。研究结果表明:所设计的基于磁光子晶体的恒定磁场控制的多通道THz波选路开关在波长84μm处,TE模式的THz波透过率均在92%以上,消光比均高于14dB,有效地实现了恒定磁场控制的多通道THz波选路开关功能。由于点缺陷尺寸小,将磁场加在单个介质柱在实际操作中不容易实现,提出新方案把磁场加在整个选路开关的结构,提出了基于磁光子晶体的可调磁场控制的1×3和1×4 THz波选路开关。采用二维正方晶格结构,引入线缺陷和磁光子晶体点缺陷,在每个通道内引入半径大小不同的铁氧体点缺陷。假设波从某个输出通道输出,需要对整个选路开关结构加磁场,使得结构中的所有磁性点缺陷的磁导率均发生变化,由外加磁场的大小来选择哪个通道打开。利用Rsoft软件,对此种类型的多通道选路开关进行了仿真分析。研究结果表明:设计的选路开关在波长85.33μm处,TE模式的THz波透过率均在93%以上,消光比均高于12dB,有效地实现了可调磁场控制的多通道THz波选路开关功能。本论文提出的基于磁光子晶体的多通道THz波选路开关结构简单,易于集成,在未来的THz波通信中具有很好的应用前景。
【图文】：

示意图,二氧化钒薄膜,相变,结构示意图

国内外学者对 THz 波开关进行了大量的探索和研究。包括基于二氧化 THz 波开关[43, 44]，基于超材料的 THz 波开关[45, 46]，基于克尔介质的 THz 波开晶的 THz 波开关[48, 49]，基于硅波导的 THz 波开关[50, 51]和基于光子晶体的 THz下面对这些 THz 波开关分别进行介绍。1）基于二氧化钒薄膜相变的 THz 波开关于二氧化钒薄膜相变的 THz 波开关的基本结构示意图如图 1.1 所示[43]，外电场子浓度：当不加偏压时，VO2薄膜处于绝缘态，内部载流子浓度小，在 THz 波THz 波具有很好的穿透性；在电场激励下，VO2薄膜层开始转变为金属相，载成电导层，由于自由载流子的吸收作用，以及电导层反射了 THz 电磁波，透过而在 VO2薄膜完全相变后，THz 波几乎被关断；撤去电场后，VO2薄膜恢复绝透过。当偏压为 1.8V 时，调制深度达到 85%，当偏压为 4V 时，调制深度已经超过通过是否施加外电场来实现开关功能。

透视图,单元结构,透视图,克尔介质

图 1.2 开关的结构示意图 (a)单元结构平面图；(b)单元结构透视图基于克尔介质的 THz 波开关尔介质实现 THz 波开关[47]的结构如图 1.3 所示，由两个被克尔介质隔开的施加不同强度的泵浦光，改变了克尔介质层的有效折射率，实现了吸收开明，该方案的开关可通过改变泵浦光的功率，在不同的工作频率下实现开关收效率均达 99.8%，开关的时间约 20 ps。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441

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