CN102136521B - 基于一维纳米材料的光致场发射解调器 - Google Patents
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Abstract
基于一维纳米材料的光致场发射解调器，包括：门电极(2)、衬底(3)、空腔(4)、电子收集基板(6)，还包括由一维纳米材料制作的阴极发射电极(1)，在空腔(4)的壁上设置有空隙(5)，空隙(5)为一个光学透明的窗口，激光可以以较少的损耗穿过空隙(5)，到达阴极发射电极(1)的表面，同时空隙(5)需要保持空腔(4)内外的真空隔离。本发明的有益效果在于填补了光纤通信中高速光学解调器的空白，可以用在高清视频传输以及高通量数据传输，有线电视信号传输等领域。
Description
技术领域
本发明属于光电二极管范畴，具体来说是一个可以检测激光波的强度，解调其中所含信息并且转换其为电信号（通过电子流来还原信息）的仪器。
背景技术
光电之间的转化在很多方面都有着重要的应用，比如：对材料量子性质的表征，能量的传输和储存，信息的传输和处理。光电效应：电子在吸收到短波（比如可见光和紫外光）的电磁辐射所发出的能量后从物质（包括金属和非金属固体，液体，气体）内被激发的现象。
光电转化的过程包括由入射光子引发的电子向更高能级的激发，对光子产生的电子空穴对对的分离，以及自由电子的传输。这些自由电子可以被放大，测量，传输和用来驱动电子设备。传统上这个过程会由PN/PIN结二极管来完成，作为一种光子探测器，PIN二极管是反向偏置的。在反向偏压下，二极管通常是不导电的。光子在进入本征区后激活了电荷屏障，反向偏压场会消除这个屏障并且产生电流。
光纤通信的过程包括一些基本步骤：由发射器产生光信号，在光纤上传输信号（确保信号没有过于紊乱和衰弱），接收光信号并且转化为电信号。在现代化的光通信系统中，信息可以以激光束的光强调制形式传递。在接收端，信息被光学解调器解调并还原成电信号，目前的光学解调器一般为高速光电二极管，它可以以(10)G比特每秒的速度解调1.(5)(5)微米波长的信息，也即纳秒光脉冲。转化过程所花费的时间被电荷屏障穿越二极管的时间所限制。目前光纤通信的数据记录是每秒(10)0G。对光纤通讯来说需要更快的传输速度，因此就需要光电二极管识别更短的光脉冲。
所以我们需要一个解调设备既能转化激光束中的信息成为电信号，而且能够分辨出皮秒或者飞秒级别的含有解调信息的光脉冲。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于一维纳米材料的光致场发射解调器，既能转化激光束中的信息成为电信号，而且能够分辨出皮秒或者飞秒级别的含有解调信息的光脉冲。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于一维纳米材料的光致场发射解调器，包括：门电极(2)、衬底(3)、空腔(4)、电子收集基板(6)，还包括由一维纳米材料制作的阴极发射电极(1)，在空腔(4)的壁上设置有空隙(5)，空隙(5)为一个光学透明的窗口，激光可以以较少的损耗穿过空隙(5)，到达阴极发射电极(1)的表面，同时空隙(5)需要保持空腔(4)内外的真空隔离。
所述一维纳米材料是碳纳米管或者碳纳米纤维。
本发明的进一步方案是还包括真空内腔(9)，真空内腔(9)被空腔(4)包围，真空内腔(9)和空腔(4)可以为同一个容器，也可以分开，真空内腔(9)和空腔(4)之间放置电路系统或其他系统需要的组件。
所述真空内腔(9)的内壁上沉积吸附材料膜，用于吸附真空杂质/气体分子。
所述吸附材料膜的材料为钛。
本发明的进一步方案是阴极发射电极(1), 门电极(2), 衬底(3)共同构成基底(11)，基底(11)位于空腔(4)，连接基底(11)内组件的导线通过空腔(4)的接口引出到真空之外。
所述门电极(2)为一个铜制网格。
衬底(3)为绝缘衬底，有一层导电层(12)用来连接阴极发射电极(1)到外围电路系统，门电极(2)与导电层(12)之间绝缘隔离，门电极(2)处于导电层(12)上方20微米处，基底(11)的直径为5毫米，电子收集基板(6)和门电极(2)的距离是1毫米。
本发明的有益效果在于填补了光纤通信中高速光学解调器的空白，可以用在高清视频传输以及高通量数据传输，有线电视信号传输等领域。
附图说明
图1是用于光纤通讯的解调器设备的图示。
图2是对图1中电极和门电极的其中一种设计的放大图示。
图3是对图1中电极和门电极的另外一种设计的放大图示。
图4是图1组成电极的单个碳纳米管和阵列的扫描电子显微镜图片。
图5是在导向电场的作用下，由入射激光激发的，在碳纳米管所发射的光子场发射的能量等级图示。
图6是在导向电场的作用下，由入射激光激发的，在碳纳米管所发射的光电场发射的能量等级图示。
图7是通过光纤传输的聚焦激光束对单个碳纳米管或者碳纳米管阵列的照射图示。
图8是通过光纤传输的非聚焦激光束对单个碳纳米管或者碳纳米管阵列的照射图示。
图9是从入射激光脉冲转化为电子脉冲的时间延迟的图示。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，(10) 为本发明基于一维纳米材料的光致场发射解调器，其中包括：
(1) 为阴极发射电极，是一维纳米材料，可以是碳纳米管或者碳纳米材料。(2) 为门电极，门电极(2)与阴极发射电极(1)之间有绝缘材料隔离，阴极发射电极(1)与门电极(2)之间加上足够的电场，可以使电子从阴极发射电极(1)中场发射出来。(3)为衬底，阴极发射电极(1)以各种方法比如化学气相沉积连接到衬底上，衬底(3)可以为绝缘材料也可以为导电材料。如果是绝缘材料，需要有导线连接阴极发射电极(1)并延伸出真空内腔(9)连接仪器，门电极(2)可以直接连接到衬底(3)上。如果是导电材料，则阴极发射电极(1)通过衬底(3)连接仪器，门电极(2)和衬底(3)之间需要绝缘材料隔离。(11)为基底包括阴极发射电极(1), 门电极(2), 衬底(3)。(4)为空腔，真空内腔(9)被空腔(4)包围，真空内腔(9)和空腔(4)可以为同一个容器，也可以分开，真空内腔(9)和空腔(4)之间可以放置一些电路系统或其他系统需要的组件。真空内腔(9)的内壁上可以沉积吸附材料膜，如钛，这样可以吸附真空杂质/气体分子。基底(11)位于空腔(4)和真空内腔(9)的底部，连接(11)内组件的导线通过空腔(4)的接口引出到真空之外。(5)为空隙，在空腔(4)和真空内腔(9)的壁上，为一个光学透明的窗口，激光可以以较少的损耗穿过空隙(5)，到达阴极发射电极(1)的表面，同时空隙(5)需要保持空腔(4)内外的真空隔离。(6)为电子收集基板，位于空腔(4)和真空内腔(9)内相对于基底(11)的另一端，从基底(11)发射出来的电子可以被电子收集基板(6)与基底(11)之间的电场加速引导，然后被电子收集基板(6)收集，并被连接电子收集基板(6)的导线引出空腔(4)和真空内腔(9)之外用于进一步分析。(7)为光纤中导出的携带信息的激光束。(8)为从(1)中发射出的电子束。
如图2所示。图2中门电极(2)可以为一个铜制网格作为门电极，加上电压后与阴极发射电极(1)之间形成高电场，如果衬底(3)为绝缘衬底，则需要一层导电层(12)用来连接阴极发射电极(1)到外围电路系统，门电极(2)与导电层(12)之间需要绝缘隔离。
如图3所示，图3中在导电层(12)上面可以沉积一层绝缘材料(13)，在绝缘材料(13)之上可以继续沉积导电层作为门电极。
一个较好的实现包括门电极(2)处于导电层(12)上方20微米处，如图2和图3所示。图2中是一个电子显微镜中常用的铜网格。基底(11)的直径为5毫米。电子收集基板(6)和门电极(2)的距离是1毫米。
场发射，如图5和6所示，也被称为Fowler-Nordheim隧穿，是量子隧穿的一种形式，电场(33)穿过真空能级产生的势垒(32)，势垒(32)被高电场所降低。场发射可以用Fowler-Nordheim等式来模拟，其中包括局部电场强度F和有效功函数Ф。(30)为碳纳米管的功函数，势垒(32)为在外加高电场环境下碳纳米管表面附近的真空能级产生的势垒，33和35为激光辐射在碳纳米管表面后，激光中的电场分量与外加高电场耦合后的新叠加电场。
在等式(1)中，J是电流密度，e是电子电荷，h是普朗克常量，m是电子质量，v是隧穿电子镜像力的一个函数。一个简化表示为：
电子从电极中出来穿过一段真空到达一个导电收集板，通常收集板上有高电压来收集这些电子。局部电场需要达到3V/纳米，才能产生可以被仪器检出的场发射电流，例如需要1e9伏电压加在两个相隔1米的平行板上。为了增加局部电场F，可以采用一些特殊的几何结构使得局部电场F= β ×Fapplied，其中β 为增强系数，Fapplied是如上例所述的宏观电场。增强系数β可以简化为与1/r成正比，其中r是发射结构的几何尺度。
光致场发射描述了辐射在发射源的光辅助的电子发射过程。图5与图6简单地描述了两种光致碳纳米管场发射的能带图。
如果入射激光的能量密度较低，如图5所示，如红外辐射，电子34无法吸收足够能量的光子从表面发射，但能够得到一定能量从低能级跃迁到稍高能级。因此入射电磁辐射31，特别是在光学范围内，可以帮助电子34提升能量，从而有可能隧穿出更短的势垒。这被成为光子场发射。
激光电磁场的能量包含两个分量，电场和磁场。入射激光如果拥有较大的能量密度，如图6所示，激光的局部电场分量与直流电场耦合，使场发射源附近的势垒34振荡。耦合后的叠加电场35通过减小隧穿距离增强了电子33的发射几率。通过修改前面的公式，光场发射的局部电场F将包括含时间变量的激光电场分量。
如前所述场发射源如果结构特殊，如拥有高纵宽比的结构，则也可以增强激光局部电场分量。光致场发射可以帮助从场发射源抽出更多电子，或者产生极短的电子脉冲。
在光纤通讯系统中，发射端的输入功率为100毫瓦左右。考虑一个30公里长的光纤，特定波长0.8dB/公里的衰减指数。输出功率为0.4毫瓦左右。
如上所述，这种能量级别的入射激光可以激发光子场发射。光子能量可以由光波长定义
其中h是普朗克常数，c为光速，λ为波长，q为电子电荷。从紫外波长200nm到红外波长2微米，相应的光子能量为6eV到0.6eV，这个范围包括了一般激光和LED器件的辐射光频率。碳纳米管的为1eV到5eV。
值得注意的是它们与可见-红外光谱的能量是相关的。理论上0.4毫瓦光子能量为0.6到6eV的激光每秒辐射2.4e15eV能量。这意味着每秒有2.4e15个光子。如图7所示，一束从光纤引导出的激光被聚焦在直径为2微米的区域内，辐射在10微米长100纳米宽的碳纳米管1上。假设被辐射的区域上的能量密度均匀分布，2.5e14个光子所辐射在场发射电极1上的0.1毫瓦。松散的碳纳米管及与其类似的结构典型的光电转换效率为20%，或者甚至可以达到100%。因此至少5e13光电子可以到达阳极收集极板6，为0.25毫安的电流，这是非常大增强。如图8所示，一束从光纤引导出的激光7没有被聚焦而直接投射在直径为30微米的区域内的碳纳米管阵列上，其中阵列中碳纳米管长10微米，宽100纳米。与图7例子类似，辐射在场发射电极阵列1上的光子为6e12，能量为1e-2毫瓦。考虑相似的量子效率，至少1.8e12光电流流向阳极收集极板6，为10微安电流，也是非常大的增强。如果一束激光从光纤中发射出来经过一个光学放大器并且恢复能量密度到几十毫瓦，当它照射到被加上偏压的场发射电极上时，光致场发射可以被激发。在参考文献6中，采用30mW激光的光致场发射被实现。根据等式(2)和等式(3)，激光中的电场分量与加载的直流电场耦合时，正弦形式的场共振，以及电流密度表达式中的F的指数形式，光致发射产生的有效电流将展示更大的非线性性质，从而导致更高的信噪比，即灵敏度。
碳纳米管发射电子的的能量分布的测量结果为0.2eV之内。如果一个电子发射出来后的能量为0.2eV，被在一个10V/纳米的电场中被加速，到达相隔1mm的阳极6的时间为1e-13秒（0.1皮秒）。如图9所示，0.1皮秒的延迟时间可以保证皮秒激光脉冲被识别出来，相当于1Tb/s的信号率，比传统的PiN光电二极管快100倍。
光子和光场致发射中，被激发的电子流以弹道轨迹到达阳极，因此不会存在湮灭或者中和的情况，量子效率的问题只是用于碳纳米管表面的光子吸收/光电转换时。器件的电容被非常小的场发射电极尖端面积（大约100nm直径）所限制。除此之外，碳纳米管/纤维的电导率与铜/银一个数量级（106西门子/米）。上述事实使器件在高频RC延迟等问题中具备优势。
实际操作中，光纤中发射出的激光束(7)经过相应操作后，如聚焦，放大，进入空隙(5)和空腔(4)，经过门电极(2)，辐射在阴极发射电极(1)上。电压通过导电层(12)从一个电压源加载到阴极发射电极(1)上。正电压加载中门电极(2)上来产生一个高的局部电场，从而控制电子可以从碳纳米管中隧穿出来。电子收集基板(6)被加载更高电压，从而收集发射出来的电子。脉冲分析仪连接到电子收集基板(6)上来分析经过激光束(7)耦合激发之后的场发射电流。
一个替代的实现方式是电子收集基板(6)可以由针对激光透明的材料来制造。这样激光可以从碳纳米管顶端辐射。
Claims (5)
1.基于一维纳米材料的光致场发射解调器，包括：门电极(2)、衬底(3)、空腔(4)、电子收集基板(6)，其特征在于，还包括由碳纳米管或者碳纳米纤维制作的阴极发射电极(1)，在空腔(4)的壁上设置有空隙(5)，空隙(5)为一个光学透明的窗口，激光可以以较少的损耗穿过空隙(5)，到达阴极发射电极(1)的表面，同时空隙(5)需要保持空腔(4)内外的真空隔离；有一层导电层用来连接阴极发射电极到外围电路系统，门电极与导电层之间绝缘隔离，门电极处于导电层上方；
还包括真空内腔(9)，真空内腔(9)被空腔(4)包围，真空内腔(9)和空腔(4)可以为同一个容器，也可以分开，真空内腔(9)和空腔(4)之间放置电路系统或其他系统需要的组件；
真空内腔(9)的内壁上沉积吸附材料膜，用于吸附真空杂质/气体分子。
2.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的光致场发射解调器，其特征在于，所述吸附材料膜的材料为钛。
3.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的光致场发射解调器，其特征在于，阴极发射电极(1), 门电极(2), 衬底(3)共同构成基底(11)，基底(11)位于空腔(4)，连接基底(11)内组件的导线通过空腔(4)的接口引出到真空之外。
4.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的光致场发射解调器，其特征在于，门电极(2)为一个铜制网格。
5.根据权利要求1所述的基于一维纳米材料的光致场发射解调器，其特征在于，衬底(3)为绝缘衬底，有一层导电层(12)用来连接阴极发射电极(1)到外围电路系统，门电极(2)与导电层(12)之间绝缘隔离，门电极(2)处于导电层(12)上方20微米处，基底(11)的直径为5毫米，电子收集基板(6)和门电极(2)的距离是1毫米。
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