可调谐KTP掺杂THz光子晶体滤波特性分析

于娜　王清　李静

【摘 要】基于KTP晶体的电光效应，本文设计了一种基于光子晶体的可调谐THz滤波器。该结构通过在光子晶体线波导中添加点缺陷构成微腔，并在点缺陷中填充KTP晶体，通过外加电压控制KTP晶体折射率，从而实现谐振频率的可调。利用PWE和FDTD对该结构进行数值分析，结果表明该结构在4THz附近可以获得带宽为0.005THz的可调透射谱。

【关键词】THz；光子晶体；可调谐滤波；KTP

0 引言

太赫兹（Terahertz，简称THz）波是频率在0.1T-10THz（1THz=1012Hz）范围内的电磁波，其波长在0.03mm-3mm之间，处于微波和红外波段之间，集成了微波通信和光通信的优点。在高速通信等领域中都需要窄带且频率连续可调的THz波，因此THz可调滤波器的研究已经成为当前的研究热点。

光子晶体是介电常数呈周期性分布的材料，由于其独有的光子禁带特性和光子局域特性可以很好的将光局域在光子晶体中传播，传输损耗小，抗电磁干扰能力强，体积小，便于集成化，使光子晶体技术的研究受到广泛的关注。

本文提出一种基于光子晶体波导微腔结构的可调谐THz滤波器，通过在微腔内掺杂KTP晶体，实现可调谐滤波，通过平面波展开法和时域有限差分法对该结构进行数值计算，结果表明，在4THz附近实现了可调谐滤波。

1 结构模型

1.1 THz光子晶体波导结构

THz光子晶体波导的基本结构是采用二维三角晶格空气柱型光子晶体，以硅为背景材料，折射率n=3.48，空气柱半径r=0.32a，a是晶格常数（两个空气柱中心的距离），折射率为1，并去除中心一排的空气孔，形成线缺陷波导，如图1所示。

本文中针对二维光子晶体，采用平面波展开法（PWE）计算光子晶体的带隙结构，采用时域有限差分法（FDTD）计算光子晶体的传输透射谱。经计算，THz光子晶体波导的禁带结构对比完整结构光子晶体的禁带图，可以得到在禁带频率3.5THz～4.5THz之间出现了一个通带3.78THz～4.24THz，这说明3.78THz～ 4.24THz的光将会局域在这个线缺陷波导中传播，其他频率的波将不能在该波导中传输，也就是说当输入一个宽频波时，波导输出端就只接收到3.78THz～4.24THz的光波。

1.2 THz光子晶体波导微腔的设计

基于图1所示THz光子晶体波导的结构，在其上添加高品质因数（Q值）的光子晶体微腔结构，如图2所示，该微腔是由一个中心的点缺陷和周围两层掺杂磷酸钛氧钾（KTP）晶体的介质柱构成，通过调节KTP晶体的折射率可以改变微腔的谐振频率。信号光从Input端口输入，经过线型波导到达光子晶体微腔，滤波后再经波导输出到探测器Monitor。这样当在输入端输入一定频率的光波时，只有符号波导谐振腔条件的光波才能高透射率的通过该结构，到达输出端口。

采用PWE方法计算图2所示结构的带隙图，黄色介质柱中掺杂的KTP晶体为常温状态，计算发现添加微腔的波导，由于微腔的光子局域特性，仅能使一个很窄的频带，中心频率在4.05THz处的光传输过去，且透射率接近100%，达到了滤出很窄频率范围的光波的目的。

2 影响

为了获得更好传输特性的波导微腔，以高斯脉冲信号为输入信号，分别分析了缺陷微腔半径R1和缺陷微腔结构不同对传输特性的影响。

首先分析微腔半径不同时的传输透射率曲线，可以得到，当半径R1从0.28a，以0.02a的步长变化到0.36a时，透射率呈先增后减的趋势，且当半径R1=0.32a时，透射率最大，约为98%。

接下来讨论，当微腔介质柱半径固定为0.32a，微腔结构不同对传输特性的影响，通过分析缺陷介质柱数N为6、12、18、28和36时的透射率曲线可以得到，透射率与微腔的结构也有关系，当N=18时，也就是微腔由两层介质柱构成时，透射率最高。

3 数值模拟与结果分析

基于以上讨论，我们选择微腔介质柱半径R1=0.32a，两层介质柱构成缺陷微腔的结构构成波导微腔进行以下的THz滤波分析，结构如图2所示。

基于图2所示的THz光子晶体滤波器结构，应用FDTD算法，计算了不同外加电压下的传输透射谱，当外加电压以0.5V的步长从0V增加到4.5V，输出端口的传输透射谱随着电压的改变而发生漂移，且归一化透射率达到92%以上，如图3所示，对应的透射峰值转换成频率分别为（THz）：4.178，4.138，4.104，4.071，4.037，4.005，3.974，3.937，3.901，3.866，

且频谱宽度很窄，大约为0.005THz。由此可见，在点缺陷中添加KTP晶体，由于电压的增加使得填充的KTP晶体的折射率发生改变，进而使谐振频率改变，从而实现了可调谐选频滤波。

4 结论

根据KTP晶体的电光效应，本文设计了一种在光子晶体线缺陷中添加点缺陷构成谐振微腔的结构，并在点缺陷中填充KTP晶体，通过改变外加电压，实现THz可调谐滤波器。通过PWE和FDTD方法对结构进行数字分析，计算结果表明该结构在4THz附近有很好的透射率，并且通过改变电压可以获得带宽为0.005THz的可调谐滤波透射谱。

【参考文献】

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[2]张杨，温建华.基于角度调谐的光子晶体滤波特性研究[J].太原理工大学学报，2015，06：783-789.

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[责任编辑：王伟平]