传输与调控特性：THz相变光子晶体波导

采用FDTD算法模拟相变光子晶体在不同状态下的THz波传输谱线,如图4.4所示。为了保证模拟精度,FDTD算法的空间最小网格为100 nm,约为VO2薄膜厚度的1/10。图4.4(a)显示了两个极端情况,即完全的介质相和金属相,它们的通带都分别与图4.3所示的导带范围很好地吻合,并从0.68~0.8 THz和1.02~1.25 THz大范围地移动到0.8~1.45 THz,因此,器件可以实现在0.68~0.8 THz、1.02~1.25 THz和0.8~1.45 THz三个频带上的可控带通滤波。

图4.4　不同状态下相变光子晶体的THz波传输谱线[3]

(a)介质相和金属相传输谱线;(b)由介质相向损耗态转变的过程(σeff=10～5 000 S/m);(c)由损耗态向金属相转变的过程(σeff=7 000～2.7×105 S/m);(d)0.75 THz、0.9 THz和1.1 THz处的透过率随温度升高的变化曲线

图4.4(b)和图4.4(c)进一步显示了VO2相变过程对器件传输性质的演化规律,整个转变可以分为两个过程。在图4.4(b)所示的第一个过程中,随着VO2有效电导率的增加(σeff=10~5 000 S/m),通带透过率开始下降,带宽变窄,对应着相变光子晶体波导由介质相向损耗态转变的过程,它实现了在0.68~0.8 THz和1.02~1.25 THz频带上的强度调制。当σeff进一步增大(σeff=7 000~2.7×105 S/m)时,器件进入图4.4(c)所示的第二个过程,上述两个通带消失,但同时出现一个新的通带,它的透过率随有效电导率的增大而升高,带宽变宽。当σeff=2.7×105 S/m时,谱线接近于图4.4(a)所示的理想金属光子晶体的谱线。因此,第二个过程是相变光子晶体波导由损耗态转变到金属相的过程,可以在0.8~1.45 THz频带上实现强度调制。在上述两个调制过程中,相变光子晶体的调制深度和滤波谱线形状都明显优于过去报道的超材料调制器,其在1 THz附近的调制深度大于90%,工作带宽大于150 GHz。

这里以温度调控为例说明器件对不同频率THz波的调制情况。图4.4(d)显示了相变光子晶体在0.75 THz、0.9 THz、1.1 THz处的透过率随温度升高的变化曲线,这些调制过程都能与图4.1所示的有效介质理论模型相吻合。在图4.4(d)中,在65℃处能够清晰地区分上面提到的两个调制过程,但不同THz频段的调制行为又是截然不同的。对于0.75 THz及其附近频段,随着温度上升(60~65℃),其透过率从接近100%急剧下降到0,温度超过65℃后依然保持为0;0.9 THz及其附近频段却相反,其透过率开始时接近0,当温度超过65℃(65~75℃)后,其透过率逐渐上升到90%以上;而对于1.1 THz及其附近频段,随着温度上升,其透过率经历了从95%下降到0(50~65℃)、再从0上升到87%(65~100℃)的过程。这三个频率分别代表了器件在外加激励下的三种典型调制行为：第一个是从透射到损耗;第二个是从损耗到透射;第三个是从透射到损耗再到透射。这种新的调制机制源于VO2相变过程中器件光子带隙的剧烈变化。

图4.5为采用FDTD算法模拟的器件在不同频率和状态下的稳态场分布。在关闭状态下,THz波能够耦合到介质光子晶体波导中,然后在传输中泄漏到两边的空间中,如图4.5(a)所示;图4.5(d)所示的THz波不能耦合到金属光子晶体波导中,所有能量都被波导端口反射。在开状态下,图4.5(b)所示的THz波全部约束在金属光子晶体波导中传输;图4.5(c)所示的THz波有部分能量分布在波导两边的介质光子晶体柱中传输。这些稳态场分布也显示出相变光子晶体在介质相和金属相下对THz波具有不同的传输性质。

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图4.5　器件在不同频率和状态下的稳态场分布[3]

(a)1 THz介质相;(b)1 THz金属相;(c)0.75 THz介质相;(d)0.75 THz金属相

没有人工微结构的空白VO2薄膜对THz波具有宽带强度调制性质。图4.6(a)显示了不同厚度、不同电导率的VO2薄膜的THz透射光谱线。将其与图4.4比较,可以发现相变光子晶体波导结构显著地提高了VO2薄膜的调制深度和灵敏度。例如,2 000 S/m、1μm厚的VO2薄膜对THz波的调制深度仅为10%,而镀相同VO2薄膜的相变光子晶体波导的调制深度却接近90%,因此在相同激励下,后者将得到更大的调制深度。此外,相比于相变光子晶体波导丰富的调制过程和滤波谱线,空白VO2薄膜只有从透过到损耗这一个调制过程。

图4.6　不同状态下的THz透射光谱线[3]

(a)不同厚度、不同电导率的VO2薄膜的THz透射光谱线;(b)不同厚度VO2薄膜的相变光子晶体波导的THz透射光谱线,VO2电导率均为2.7×105 S/m

为了研究VO2薄膜厚度对器件最大调制深度的影响,用FDTD算法模拟了不同VO2薄膜厚度的相变光子晶体波导的THz透射光谱线,如图4.6(b)所示。随着VO2薄膜厚度的减小,金属光子晶体波导的透过率迅速下降,通带带宽变窄。因此,当金属相VO2薄膜的最大电导率一定的情况下,提高VO2薄膜厚度可以提高器件的最大调制深度和工作带宽。总之,器件的调制性质主要由两个因素限制：一是有限的金属相VO2薄膜电导率,其越小,带来的欧姆损耗越大;二是有限的VO2薄膜厚度,在金属相VO2薄膜电导率一定时,其需要大于THz波的趋肤深度才能充分地反射THz波。因此,要提高器件性能,就需要在相变光子晶体表面获得高质量的VO2薄膜,即要求钒的氧化足够彻底(VO2在VO x中占更高的比例),同时也要求薄膜具有厚而致密的特点。