相变光子晶体波导的结构示意图如图4.2所示,侧壁镀有VO2薄膜的高阻硅光子晶体柱阵列置于PPWG间,中间有线缺陷形成的光子晶体波导结构。前文已阐明当有限高度的光子晶体置于PPWG中时,其会表现出无限柱高的二维光子晶体的能带和传输性质。光子晶体的晶格周期a=120μm,半径r=38.5μm,柱高为120μm,VO2薄膜厚度为1μm,这一几何尺度可以使器件工作在1 THz附近。
当VO2薄膜处于介质相时,由高阻硅和VO2组成的器件将显示出介质光子晶体波导的性质;当VO2薄膜处于金属相时,由于VO2在THz波段的趋肤深度小于或等于VO2的薄膜厚度,因而器件显示出金属相光子晶体波导的性质。这里采用FEM计算不同状态下相变光子晶体的能带结构,采用图4.2(c)所示的沿波导传播方向上的周期性边界条件,入射波偏振方向为TE偏振波(即电场矢量方向沿相变光子晶体柱轴线方向),结果如图4.3所示。对于图4.3(a)所示的介质光子晶体能带结构,图中黄色阴影区对应的模式为波导导模,THz波能在这些频带范围内沿波导传输;其余模式为泄漏模式,泄漏模式可以进入波导但会随着传输迅速泄漏到波导外的空间中。对于图4.3(b)所示的金属光子晶体能带结构,没有任何模式对应的频带为禁带,光不能进入波导,在端口处被全部反射。介质光子晶体波导在1 THz附近有两个导模,分别位于0.68~0.8 THz和1.02~1.25 THz,其他频率均对应泄漏模式,不能支持THz波传输。如图4.3(b)所示,金属光子晶体的第一导模位于0.8~1.45 THz,可见在相变前后,相变光子晶体波导的能带结构发生了明显变化。
图4.2 相变光子晶体波导的结构示意图[3](www.xing528.com)
(a)三维示意图;(b)侧视图;(c)上视图
图4.3 不同状态下相变光子晶体的能带结构图[3]
(a)介质相;(b)金属相
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