光子晶体波导性太赫兹波器件简介

1.1光子晶体简介
       光子晶体（photonic crystals）的概念是由不同折射率的介质进行周期性排列形成的一种人工微结构，是在1987年由E.Yablonovich和S.John分别提出来的。光子晶体就是光子禁带材料，从材料结构方面进行分析，光子晶体是在光学的衡量标准上拥有一定周期性质的介电结构的人工设计并制造的一类晶体。
       由于存在周期性，光波的色散曲线在光子晶体中传播过程将形成带状结构，在光子晶体的材料和结构搭配合理的情况下，就很有可能在光子晶体中形成与半导体禁带类似的“光子禁带”（photonic bandgap），也可称其为光子带隙（PBG:photonic band gap）。
 
 
图1.2 三种类型的光子晶体结构
       以周期性维度的不同作为划分依据，光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。通过对晶体结构图进行分析，可以得出晶体内部的原子是周期性且有序排列这样的结论。受周期势场的影响，运动的电子才会发生周期势场的布拉格散射，进而形成能带结构，其中带与带之间也许会存在一定的带隙。正是因为布拉格散射，电磁波在传播过程中会受到周期性调制的影响从而形成能带结构，该结构就是所谓的光子频率能带。其中带有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，也可称之为光子带隙材料。
       光子晶体的一个根本特征就是落在光子晶体的光子禁带上的光是被禁止传播的。光子晶体的对称性、介电材料的介电常数比及其填充比这些因素都决定了光子禁带的产生和大小。通常情况下，光子晶体中两种材料的介电常数比值与入射光将被散射的强度成正比，其值越大，出现光子禁带的情况就越大。
        光子晶体还有一个极为重要特征，就是光子局域（photon localization），也可称其为Anderson局域。
       在光子晶体中，一旦发生原有的周期结构或对称性被破坏的情况，光子禁带中便会出现极窄频宽的缺陷态，与缺陷态频率一致的光子就有很大可能被局域在相对缺陷的位置，如果偏离缺陷位置的话，光的强度将会急速地衰减。
       因为光子晶体可以够控制光在其中的传播，所以自它面市以来，受到了相关科学研究工作者们的高度重视以及关注。光子晶体的晶格尺寸是与光波的波长正正比例的，即其工作波长越短，随之光子晶体的尺寸变会越小，制作难度就会增加。在太赫兹的波段范围内，与可见光以及红外波段的光进行比较，光子晶体的加工工艺反而相对容易些，在实际操纵的过程中也是更加容易获取的，并且它的物理尺寸较小，这些优势都太赫兹波段的功能器件的制作以及其在太赫兹系统中的具体应用提供了切实的可行性。
       除了探测器和福射源之外，太赫兹应用系统仍需要不少其他的功能器件用以解决太赫兹传输系统的诸多实际问题。这些功能器件在太赫兹传输及其通信方面都有着至关重要的相关应用，比如说太赫兹波调制器、太赫兹波偏振分束器、太赫兹波滤波器、太赫兹波开关等。特别是在太赫兹固态系统的发展过程中，太赫兹波不再仅仅依靠自由空间传播，这个时候波导型功能器件的作用凸显出来了。它们不仅能够轻易操控地太赫兹波的传导，同时在各器件相互之间的连接和耦合起到了关键性的作用。在这之中，光子晶体扮演了重要的角色。尤其是最近几年以来，光子晶体的相关报道更是屡见不鲜。同样地，对于太赫兹波光子晶体波导器件的研究探讨也早已成为当下国际相关领域内所追随的热点。因此，研究高性能、结构紧凑、且小型化的太赫兹波光子晶体波导器件意义非常重大。
 
1.2.2光子晶体波导器件研究进展
       自光子晶体概念在1987年提出以来，不管是在理论研究，还是在科学研究和应用研究上均有了极为蓬勃的发展。国内外众多研究人员通过其不断的研究分析之后，相继提出并设计出了各种类型不同的太赫兹波导，其中有一部分是借鉴于微波段的金属波导，还有一部分则是借鉴于光频段的介质波导，例如平行金属平板的塑料平板太赫兹波导、太赫兹波导等。在太赫兹波波导的实际应用中，实现低损耗传输是需要尽快解决的问题。通常情况下，波导普遍存在一个问题，那就是大多数材料在太赫兹波段都存在相对较高的吸收损耗。传统介质的波导若在实际应用中遇到需大角度弯曲弯折的情况的话，散射损耗则会急剧上升。光子晶体波导理论意义上能够使光波无损弯折达到90度，且现有的常规技术的太赫兹波器件尺寸都是较大的，而应用常规技术器件的尺寸却很难再进一步缩小。因此需要设计出一些结构紧凑，尺寸较小的功能性强、效率高的器件来完成研究。
      最近，根据相关报道，得知X研发出了可以在室温条件下展开系列工作的紧凑型太赫兹辐射源。来自西北大学的Manijeh Razeghi与她的同事们合力研发出一种新式的太赫兹辐射源。这种结构紧凑并且可在室温下展开工作的器件，还可基于强耦合应变平衡量子级联激光器展开系列设计，由于其在腔内产生不同的频率，从而可达到在较宽的频率范围（1到5 THz）发出辐射的最终目的。这种类型的发射器若是发射单模太赫兹辐射，其输出功率可高达14 μW。与此同时，该器件还可以在安全距离范围内化学药剂、检测爆炸物及其他危险生物物质，为公共场所的安全提供了强有力的保障。
      目前在国内，来自武汉光电国家实验室超快光学研究团队的陆培祥教授、拥有“青年千人”称号的王兵教授及博士生刘为为等人通过共同的研究分析及多级实践，设计出了一种基于多层石墨烯即多个石墨烯单层由介质隔开的锥形结构，通过该结构来增强THz波的纳米聚焦。其原理就是通过每层石墨烯SPP之间的相互耦合从而最大限度地压缩THz光场同时将其限制在纳米锥的尖端。相关的实验数据及研究结论均表明，3层石墨烯锥便可使波长为50微米的THz波的电场强度增强620倍左右，其效果完胜单层石墨烯锥的增强效果(240倍)。通过调节入射THz波长以及石墨烯化学势，其电场强度的增强效果可达1800倍。还有，多层石墨烯锥对光场的限制能力同样大幅度地提升，在这个前提下，锥尖光场可以被压缩至入射波长的1/2800，该能力比同类型的金属/介质结构至少提高了一个数量级。该研究结果为快速实现纳米尺度和高强度的THz光源开辟出了一种新的途径，同时为THz波在纳米光学及非线性光学等多个领域的推广和应用奠定了一定的理论和实验基础。
       此外，国内首次成功研制出毫米波和太赫兹波W波段放大器核心部件——螺旋波导，这是中国航天科工二院207所通过其不懈的实验、研究、分析最终取得的成果。经反复的试验测试，该螺旋波导可实现信号的1000倍功率放大，其各项性能的指标也均达到放大器的设计需求及预期。该产品的研制成功是我国在大功率太赫兹器件探索之路上的一次质的突破，为高功率毫米波、太赫兹技术及太赫兹波辐射源技术等工程应用的推广和发展打下了绝对坚实的基础。
       同样地，我们坚信，我国太赫兹科技领域势必研发出更多带有自主知识产权和自有核心技术标签的世界级一流成果和系列产品。