CN101504997A - 一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器，该滤波器是在高阻抗单晶硅或砷化镓衬底的表面上构造曲面，然后在衬底曲面上生长一层锑化铟薄膜，该薄膜材料厚度超薄(总厚度不超过2.15微米)，该多通道太赫兹滤波器具有在0.1至3太赫兹的频率范围内获得五个共振透射峰，并且共振透射频率基本不随温度变化，并且这五个共振模式的透射率随温度降低而增加，其透射率高达90％～93％。
Description
一、技术领域
本发明属于光电信息功能材料领域，具体地说是涉及一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器。
二、背景技术
众所周知，太赫兹频率范围处于电子学和光子学的交叉区域。近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹辐射成像技术以及时域光谱技术在生物医学、安全检查、工业无损检测、空间物理、化学分析、军事、通讯等领域有广阔的应用前景。人们希望设计一些太赫兹器件能够在太赫兹波段选频，具有可调控的多通道的滤波功能。例如，2008年英国Exeter大学T.H.Isaac博士所在研究组研制了一种具有多通道滤波功能的太赫兹器件。该器件为一具有亚波长狭缝结构的锑化铟(InSb)半导体薄膜，膜厚456微米，当光垂直入射时，在0.1太赫兹至3太赫兹的范围内得到五个透射峰(共振模式)，并且五个透射峰的频率随着缝宽的减小而减小，其透射率也随着缝宽的减小而减小(详情参见T.H.Isaac，J.Gómez Rivas和J.R.Sambles等人发表于2008年美国《物理评论B》第77卷、第11期、第113411-1页至113411-4页的论文，即PhysicalReview B，77，113411，2008)。
根据美国《物理评论B》的这篇报道，这种456微米厚太赫兹滤波器件的结构和光谱测量方法如下：
第一，制备出无掺杂的锑化铟(InSb)薄膜材料，膜厚456微米；该锑化铟薄膜材料在77K温度下电导率为2400Sm-1；
第二，利用金刚刀沿锑化铟晶面将锑化铟薄膜切开，在显微镜微米转动平台上把切开的两个面对准平行，形成狭缝；
第三，在入射太赫兹辐射波的极化方向与狭缝方向垂直的条件下，用太赫兹光谱仪测量不同缝宽(从90微米到10微米之间变化)时该器件的垂直透射率。
目前，利用这种456微米厚太赫兹滤波器，可以在频率为0.1至3太赫兹的范围内得到五个透射峰，他们来源于由表面等离激元调制的类法布里-珀罗(Fabry-Pérot)共振效应，并且五个透射峰(共振模式)的频率随着缝宽的减小而减小，其透射率也随着缝宽的减小而减小。从而该器件在太赫兹频段具有多通道滤波功能。但是，该器件中太赫兹光透射率偏低(透射峰值处也仅为1.4％左右)，并且狭缝宽度不易调节(只能放在显微镜的微米转动平台上调节)，此外，锑化铟薄膜较厚(456微米)。因此，研制一种超薄的高透射率并且调控方便的新型多通道太赫兹滤波器颇有应用价值。
三、发明内容
1.发明目的
本发明的目的是提供一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器，这种太赫兹波滤波器可以在频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振透射峰，并且这五个共振模式的频率基本不随温度变化(在225K至325K温度范围内频率误差不超过1％)，但相应的透射率随温度降低而增加，可用于多通道的太赫兹滤波器件等。
2.技术方案
一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器，由衬底和锑化铟薄膜材料构成，其特征在于首先将衬底材料的表面制作成有周期起伏的正弦曲面，然后在衬底表面的正弦曲面上生长一层厚度为1.85-2.15微米的锑化铟薄膜，该多通道太赫兹滤波器，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振透射峰，并且这五个共振模式的频率从325K降至225K温度范围内频率误差不超过1％，但相应的透射率随温度降低而增加，其透射率高达90％～93％。
上述的衬底材料为高阻抗单晶硅或砷化镓。
上述的衬底材料表面用光刻蚀技术制作成有周期起伏的正弦曲面，该正弦曲面的周期为735-765微米，表面起伏幅度为136-164微米。
上述的锑化铟薄膜材料是无掺杂锑化铟材料。
利用有限元时域差分方法，计算得到不同环境温度下、分别以高阻抗单晶硅和砷化镓为衬底材料的多通道太赫兹滤波器结构的透射谱(参见图2和图3)。有限元时域差分方法的具体运用可参见我们发表于2007年美国《物理评论B》第76卷、第195405-1页至195405-8页的论文，即Z.H.Tang和R.W.Peng(彭茹雯)等Physical Review B 76，195405(2007)。选用的无掺杂锑化铟材料在不同温度下的各项光学参数来自José A.Sánchez-Gil和Jaime Gómez Rivas的论文(Physical Review B第73卷、第205410-1页至205410-8页的论文)；选作为衬底材料的高阻抗单晶硅，其介电系数来自Martin van Exter和D.Grischkowsky的论文(Applied Physics Letters第56卷、第17期、第1694-1696页的论文)；选作为衬底材料的砷化镓，其介电系数来自于K.A.McIntosh等人的论文(Applied Physics Letters第69卷、第24期、第3632-3634页的论文)。如图2和图3所示，多通道太赫兹滤波器结构在垂直入射时获得了五个共振透射峰位于0.1至3太赫兹的频率范围内，即：0.40太赫兹、0.80太赫兹、1.20太赫兹、1.60太赫兹和2.00太赫兹。该五个共振模式的频率呈倍数关系，当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加。
另外，多通道太赫兹滤波器结构中透射峰的共振频率可通过改变该结构中衬底表面起伏的周期长度来调控。例如将衬底表面起伏的周期改变为587-613微米、表面起伏幅度改变为107-133微米，然后在衬底表面生长一层InSb薄膜(厚度为1.85-2.15微米)。这种多通道太赫兹滤波器结构在垂直入射时获得五个共振透射峰在0.1至3太赫兹的频率范围内，即：0.50太赫兹、1.00太赫兹、1.50太赫兹、2.00太赫兹和2.50太赫兹(参见图4和图5)。当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加。
因此，本发明的多通道太赫兹滤波器，其中的锑化铟薄膜厚度不超过2.15微米，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振透射峰，并且共振透射频率基本不随温度变化，但透射率随温度降低而增加的功能。
3.有益成果
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明的多通道太赫兹滤波器结构具有在0.1至3太赫兹的频率范围内获得五个共振模式：(1)当该结构中衬底表面起伏周期为735-765微米，表面起伏幅度为136-164微米时，共振模式分别为0.40太赫兹、0.80太赫兹、1.20太赫兹、1.60太赫兹和2.00太赫兹；(2)当该结构中衬底表面起伏周期为587-613微米，表面起伏幅度为107-133微米时，共振模式分别为0.50太赫兹、1.00太赫兹、1.50太赫兹、2.00太赫兹和2.50太赫兹。并且，每种情况下五个共振模式的透射率可以通过改变器件的环境温度来调控，而透射峰的频率位置基本不随温度变化而变化。
现有技术，例如2008年英国Exeter大学T.H.Isaac所在研究组研制的一种太赫兹波滤波器件(详情参见T.H.Isaac，J.Gómez Rivas和J.R.Sambles等人发表于2008年美国《物理评论B》第77卷、第11期、第113411-1页至113411-4页的论文，即Physical Review B，77，113411，2008)，其在0.1至3太赫兹的范围内也获得五个共振模式，虽然五个透射峰的透射率随着缝宽的移动而移动，但透射峰的频率也随着缝宽改变而改变，不易精确定位。此外，狭缝长度不易精确控制，并且只能在显微镜微米载物控制台上加以操纵。因此，本发明的温度调控的多通道太赫兹滤波器在太赫兹波的透射率调控上存在优势，仅需要改变器件所处的环境温度就可以调节器件在太赫兹波段的透射率，并且其共振透射峰频率位置基本保持不变。
第二，本发明多通道太赫兹滤波器结构所用InSb薄膜厚度较薄，其厚度为1.85-2.15微米(不超过2.15微米)，透射率较高(共振模式处的透射率最高可达到90％-93％)。
现有技术，例如2008年英国Exeter大学T.H.Isaac所在研究组研制的一种太赫兹波滤波器件(详情参见T.H.Isaac，J.Gómez Rivas和J.R.Sambles等人发表于2008年美国《物理评论B》第77卷、第11期、第113411-1页至113411-4页的论文，即Physical Review B，77，113411，2008)，其样品厚度456微米，透射率偏低(透射峰值处也仅为1.4％左右)。因而，本发明的多通道太赫兹滤波器的结构设计和增强透射方面存在优势。
四、附图说明
图1、本发明中由锑化铟周期波纹薄膜构成的太赫兹波多通道滤波器结构示意图：(a)结构的立体示意图；(b)剖面放大图。
图2、本发明中以高阻抗单晶硅为衬底的太赫兹波多通道滤波器结构(周期750微米，表面起伏幅度150微米，厚度2.0微米)在不同温度下的透射谱。
图3、本发明中以砷化镓为衬底的太赫兹波多通道滤波器结构(周期750微米，表面起伏幅度150微米，厚度2.0微米)在不同温度下的透射谱。
图4、本发明中以高阻抗单晶硅为衬底的太赫兹波多通道滤波器结构(周期600微米，表面起伏幅度120微米，厚度2.0微米)在不同温度下的透射谱。
图5、本发明中以砷化镓为衬底的太赫兹波多通道滤波器结构(周期600微米，表面起伏幅度120微米，厚度2.0微米)在不同温度下的透射谱。
五、具体实施方式
本发明具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器的具体实施方式如下：
实施例1，选用衬底为高阻抗单晶硅，薄膜材料为无掺杂的锑化铟(InSb)。将衬底表面用光刻蚀技术制成正弦曲面形状(周期750微米，表面起伏幅度150微米)，然后用激光沉积技术在衬底表面的正弦曲面上生长一层InSb薄膜(厚度2.0微米)，这种多通道太赫兹滤波器结构，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，即：0.40太赫兹、0.80太赫兹、1.20太赫兹、1.60太赫兹和2.00太赫兹，当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加，透射率最高可达到90％。因此，这种多通道太赫兹滤波器结构，其中的薄膜厚度不超过2.0微米，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，并且透射率随温度降低而增加的功能。
实施例2，选用衬底为砷化镓，薄膜材料为无掺杂的InSb。将衬底表面通过光刻蚀等技术刻蚀成正弦曲面形状(周期750微米，表面起伏幅度150微米)。然后用激光沉积技术在衬底表面的正弦曲面上生长一层InSb薄膜(厚度2微米)。这种多通道太赫兹滤波器，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，即：0.40太赫兹、0.80太赫兹、1.20太赫兹、1.60太赫兹和2.00太赫兹，当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加，透射率最高可达到90％。因此，这种多通道太赫兹滤波器，其中的薄膜厚度不超过2.0微米，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，并且透射率随温度降低而增加的功能。
实施例3，选用衬底为高阻抗单晶硅，薄膜材料为无掺杂的锑化铟(InSb)。将衬底表面用光刻蚀技术制成正弦曲面形状(周期600微米，表面起伏幅度120微米)。然后用激光沉积技术在衬底表面的正弦曲面上生长一层InSb薄膜(厚度2.0微米)。这种多通道太赫兹滤波器，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，即：0.50太赫兹、1.00太赫兹、1.50太赫兹、2.00太赫兹和2.50太赫兹，当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加，透射率最高可达到93％。因此，这种多通道太赫兹滤波器，其中的薄膜厚度不超过2.0微米，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，并且透射率随温度降低而增加的功能。
实施例4，选用衬底为砷化镓，薄膜材料为无掺杂的InSb。将衬底表面通过光刻蚀技术刻蚀成正弦曲面形状(周期600微米，表面起伏幅度120微米)。然后用激光沉积技术在衬底表面的正弦曲面上生长一层InSb薄膜(厚度2微米)。这种多通道太赫兹滤波器，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，即：0.50太赫兹、1.00太赫兹、1.50太赫兹、2.00太赫兹和2.50太赫兹，当环境温度从325K降低至225K时，这五个共振频率基本不随温度变化，但它们的透射率随温度的降低而增加，透射率最高可达到93％。因此，这种多通道太赫兹滤波器，其中的薄膜厚度不超过2.0微米，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振模式，并且透射率随温度降低而增加的功能。
Claims (4)
1、一种具有温度调控的超薄的多通道太赫兹滤波器，由衬底和锑化铟薄膜材料构成，其特征在于首先将衬底材料的表面制作成有周期起伏的正弦曲面，然后在衬底表面的正弦曲面上生长一层厚度为1.85-2.15微米的锑化铟薄膜，该多通道太赫兹滤波器，具有在电磁波频率为0.1至3太赫兹的范围内获得五个共振透射峰，并且这五个共振模式的频率从325K降至225K温度范围内频率误差不超过1％，但相应的透射率随温度降低而增加，其透射率高达90％～93％。
2、根据权利要求1所述的多通道太赫兹滤波器，其特征在于所述的衬底材料为高阻抗单晶硅或砷化镓。
3、根据权利要求1所述的多通道太赫兹滤波器，其特征在于所述的衬底材料表面用光刻蚀技术制作成有周期起伏的正弦曲面，该正弦曲面的周期为735-765微米，表面起伏幅度为136-164微米。
4、根据权利要求1所述的多通道太赫兹滤波器，其特征在于所述的锑化铟薄膜材料是无掺杂锑化铟材料。
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