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探讨太赫兹波在三维光子晶体中的传输特性

2020-07-11 203 上传者：管理员

摘要：基于电磁波传输理论,数值模拟(1)金刚石结构、蛋白石结构、木堆结构三维光子晶体太赫兹波传输特性;(2)Ge、SiC、ZnO三种材料构成金刚石结构对太赫兹波在三维光子晶体中的传输特性影响;(3)小球半径对金刚石结构三维光子晶体太赫兹波传输特性的影响,研究结论为三维光子晶体太赫兹波调制器、选频器制备提供参考.

关键词：
三维光子晶体
传输特性
太赫兹波
晶体学
选频器制备
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S.John[1]和E.Yablonvich[2]在1987年提出了光子晶体的概念,光子晶体是一种人工电磁材料.光子晶体结构模型可分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体结构[3,4,5],如图1所示.不同结构的光子晶体其能带特性有较大的差别,它们的作用也不近相同.太赫兹波的电磁波段处于100GHz-10THz之间,波长在0.03到0.3mm之间.太赫兹波是工信部5G通讯波段的发展波段,具有较宽的通讯频率波段.光子晶体是周期排列的人工电磁媒质,太赫兹波在其中传输具有能量损耗低,色散小,传输频率带宽宽等特点[6,7,8,9,10].将太赫兹波和光子晶体的优良特性结合起来,制备太赫兹通讯波段光子晶体调制器等器件具有重要意义[11,12,13,14,15].

图1光子晶体的基本结构(a)一维结构(b)二维结构(c)三维结构

1、结构设计

三维光子晶体包括三种典型结构模型,分别为金刚石结构、蛋白石结构、木堆结构,如图2所示.

图2三维光子晶体(a)金刚石结构(b)蛋白结构(c)木堆结构

2、数值模拟

2.1三种结构三维光子晶体太赫兹波传输特性

选择Si材料构成三种结构三维光子晶体,Si的介电常数为11.9,自由空间为空气,介电常数为1,运用平面波展开法进行理论分析,并运用数值计算得到其传输特性.图3是金刚石结构三维光子晶体禁带特性的数值模拟,从图3中可以看到,在0.4512THz-0.5581THz出现一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.图4是蛋白结构三维光子晶体禁带特性的数值模拟,从图4中可以看到,在0.7820THz-0.8112THz出现一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.图5是木堆结构三维光子晶体禁带特性的数值模拟,从图5中可以看到,在0.1029THz-0.1517THz出现一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.

图3金刚石结构三维光子晶体禁带特性

图4蛋白石结构三维光子晶体禁带特性

图5木堆结构三维光子晶体禁带特性

图6Ge构成金刚石结构三维光子晶体禁带特性

2.2材料特性对三维光子晶体太赫兹波传输特性

材料构成对太赫兹波在三维光子晶体中的传输特性有较大影响,下面以金刚石结构为例分析Ge、SiC、ZnO三种材料对太赫兹波在三维光子晶体中的传输特性影响,它们的介电常数分别为16、9.72、7.9.图6数值模拟了Ge构成金刚石结构三维光子晶体太赫兹波禁带特性,从图6可以看出在0.4526THz-0.6017THz出现了一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.图7数值模拟了SIC构成金刚石结构三维光子晶体太赫兹波禁带特性,从图7可以看出在0.5611THz-0.6773THz出现了一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.图8数值模拟了ZnO构成金刚石结构三维光子晶体太赫兹波禁带特性,从图8可以看出在0.6140THz-0.7035THz出现了一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.

图7SiC构成三维光子晶体禁带特性

图8ZnO构成三维光子晶体禁带特性

2.3小球半径对金刚石结构三维光子晶体太赫兹波传输特性

小球半径r,晶格常数a也是影响金刚石结构三维光子晶体太赫兹波传输特性的因素之一,下面以Si构成金刚石结构为例数值模拟太赫兹波在三维光子晶体中的传输特性.

图9r=0.2a时禁带特性

图10r=0.3a时禁带特性

图9是r=0.2a时金刚石结构三维光子晶体禁带特性,从图9中可以看到,没有禁带出现.图10是r=0.3a时金刚石结构三维光子晶体禁带特性,从图10中可以看到,在0.5407THz-0.6279THz出现一个TE/TM模式光子晶体带隙,在此频率段的太赫兹波将不被通过.图11是r=0.4a时金刚石结构三维光子晶体禁带特性,从图11中可以看到,没有禁带出现.

图11r=0.4a时金刚石结构三维光子晶体禁带特性

对r=0.2a、0.3a、0.4a三个数值进行模拟,结果得到r=0.2a和r=0.4a没有禁带出现,在r=0.3a出现一个禁带.可见通过改变构成金刚石结构小球半径可以改变太赫兹波通过的频率特性,达到对太赫兹波的调制.

3、结论

以三维光子晶体为研究对象,研究讨论太赫兹波在其中的传输特性.数值模拟了三种典型结构金刚石结构、蛋白石结构、木堆结构太赫兹波传输特性,得到不同结构对太赫兹波传输特性具有较大的影响;数值模拟了Ge、SiC、ZnO三种材料构成金刚石结构三维光子晶体太赫兹波禁带特性,得到随着介电常数的增加禁带宽度增加;数值模拟了小球半径对金刚石结构三维光子晶体太赫兹波禁带特性,得到小球半径r=0.3a时出现较大禁带频率带隙.从三个方面数值模拟了三维光子晶体的禁带特性,给太赫兹波调制器等器件的研究设计提供参考.

参考文献：

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[8]李晓莉,刘莺,王蓉蓉,等.一维光子晶体负折射透镜的聚焦与衍射[J].激光杂志,2017,38(5):15-19.

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[14]单圆圆,李长红,闫崇庆,等.含金属层一维三元光子晶体结构的高吸收特性研究[J].光电子·激光,2019,30(3):241-249.

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韦德泉,陈淑瑜,赵延会,张贵伟,石兆帅.三维光子晶体太赫兹波传输特性研究[J].枣庄学院学报,2020,37(02):22-26.

基金:山东省自然基金科学基金(项目编号:ZR2018LF001);山东省高等学校“青创科技计划”立项支持(项目编号:2019KJN001);枣庄市科技成果转化及重点研发项目(项目编号:2016GH19);枣庄市科技计划项目(项目编号:2016GX31).

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