CN102176463B - 太赫兹光子片上控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹光子片上控制系统及其控制方法。所述系统包括半导体异质结，所述半导体异质结表面形成有二维电子气；等离激元波导；形成于所述半导体异质结表面的第一源电极、第一漏电极、第一门电极，所述第一源电极、第一漏电极和第一门电极用于形成太赫兹源量子点；形成于所述半导体异质结表面的第二源电极、第二漏电极、第二门电极，所述第二门电极，所述第二源电极、第二漏电极和第二门电极用于形成太赫兹探测量子点。本发明的太赫兹光子片上控制系统。本发明的太赫兹光子片上控制系统利用表面等离激元将太赫兹源、探测、传播和调制元件集成于一块芯片，能进行片上太赫兹光子的操控。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹光子片上控制系统及其控制方法，尤其涉及一种利用表面等离激元的太赫兹光子片上控制系统及其控制方法。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012Hz)波段通常是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波(亚毫米波)与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和探测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。太赫兹技术的进步为人们对物质的表征和操控提供了很大的自由空间，已广泛应用在射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等领域，并且在信息领域的高空间和时间分辨率探测、成像与信号处理、量子信息处理、大容量与高保密通信方面有着重要的应用价值和重大的应用前景。
另一方面，虽然得益于半导体工艺技术的飞速进步，微纳电子器件的尺寸遵循摩尔定律持续地缩小，芯片内信息的处理速度也得以快速提高。然而，面对现代信息社会对信息大容量传输、高速处理和获取所提出的越来越高的要求，沿传统的道路(比如按比例缩小器件尺寸)实现处理速度从吉赫兹到太赫兹的跨越，将会遇到众多棘手的难题。伴随着尺寸的缩小，器件的功耗控制问题以及导线电阻、电容增大导致的信号延迟问题，都是设计器件时面临的基本物理 限制。原则上，光子器件能提供太赫兹量级的数据带宽容量，并且能并行地处理信息。然而，传统的光子器件由于衍射极限这一物理限制，器件尺度不能小于其波长的大小，以致由于物理尺度上的巨大差异，微米量级的光子器件与纳米量级的电子器件难以顺利地兼容各自的优点。
这一尺度兼容问题在太赫兹光子操控系统中特别突出。虽然太赫兹波的产生、传播和探测等技术近十年来进展迅速，但是目前标准的太赫兹测试系统还都是由各独立元件组装配置而成，需要用到相对比较大型、笨重的远场光学器件，尤其是太赫兹源、探测、传播和调制等部分分立于系统中的各处，它们之间的物理间隔较大，集成度相当低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高集成度的太赫兹光子片上控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种上述太赫兹光子片上控制系统的控制方法。
一种太赫兹光子片上控制系统包括：半导体异质结，所述半导体异质结表面形成有二维电子气；形成于所述半导体异质结表面的表面等离激元波导，所述表面等离激元波导用于传播表面等离激元太赫兹光子；形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第一源电极、第一漏电极、第一门电极，所述第一源电极、第一漏电极和第一门电极用于形成太赫兹源量子点，所述第一源电极、第一漏电极用于输入吉赫兹波源以激发所述太赫兹源量子点产生太赫兹光子，进而与所述表面等离激元波导耦合形成表面等离激元太赫兹光子；形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第二源电极、 第二漏电极、第二门电极，所述第二门电极，所述第二源电极、第二漏电极和第二门电极用于形成太赫兹探测量子点，所述表面等离激元太赫兹光子激发所述太赫兹探测量子点产生电子-空穴对，所述第二源电极、第二漏电极用于施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子而形成可测量的电流信号。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导为导电的纳米线。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导的材料为金或银或铜或铝。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导与所述半导体异质结之间设置有介质层。
上述太赫兹光子片上控制系统的控制方法，包括如下步骤：在所述第一源电极、第一漏电极、第一门电极上施加电压，形成所述太赫兹源量子点，在所述第二源电极、第二漏电极、第二门电极上施加电压，形成所述太赫兹探测量子点；在所述第一源电极、第一漏电极上输入吉赫兹波源，所述吉赫兹波源激发所述太赫兹源量子点辐射出太赫兹光子；所述太赫兹源量子点辐射出的太赫兹光子耦合输入所述表面等离激元波导，形成沿所述表面等离激元波导传播的表面等离激元太赫兹光子；所述表面等离激元太赫兹光子通过耦合作用在所述太赫兹探测量子点内激发出电子-空穴对；在所述第二源电极、第二漏电极上施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子，形成可测量的电流信号；分析所述电流信号的时序特征。从而对所述表面等离激元太赫兹光子进行探测。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法的优选的一种技术方案，所述太赫兹源量子点内部有两个能态，能级间隔对应的频率范围为0.2-2THz。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法的优选的一种技术方案，所述第一门电极控制所述太赫兹源量子点的形状和内部能级间隔的大小，所述第二门电极控制所述太赫兹探测量子点的形状和内部能级间隔的大小。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法的优选的一种技术方案，调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹源量子点之间的距离进而调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹源量子点之间的耦合强度，调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹探测量子点之间的距离进而调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹探测量子点之间的耦合强度。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法的优选的一种技术方案，所述吉赫兹信号的频率范围是10-100GHz。
与现有技术相比，本发明的太赫兹光子片上控制系统及其控制方法利用表面等离激元作为太赫兹光子的载体，采用了平板半导体工艺以形成所述太赫兹源量子点、所述太赫兹探测量子点以及所述表面等离激元波导，从而易于控制器件形貌。本发明的太赫兹光子片上控制系统具有结构紧凑、易与外部电路集成的特点，实现了在单个芯片上进行太赫兹光子的激发、传播、探测等操控行为。本发明的太赫兹光子片上控制系统利用表面等离激元特有的亚波长局域特性，突破光子器件衍射极限的限制，在纳米尺度进行太赫兹光场局域和控制，实现太赫兹光子的片上操控，无需借助任何远场光学器件就可以进行太赫兹光子信息的全电学操控。在半导体工艺成熟的条件下，具有原理新颖简单、设计灵活方便、在信息领域应用范围广、实用性强的特点。
附图说明
图1是本发明的太赫兹光子片上控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
请参阅图1，图1是本发明的太赫兹光子片上控制系统的结构示意图。所述太赫兹光子片上控制系统包括：半导体异质结(图未示)、形成于所述半导体异质结表面的二维电子气(图未示)、形成于所述半导体异质结表面的表面等离激元波导15、太赫兹源量子点形成结构、太赫兹探测量子点形成结构。优选的，半导体异质结为GaAs半导体异质结或AlGaAs半导体异质结。所述二维电子气距离所述半导体异质结表面约1-100nm，所述二维电子气的电子迁移率大约为5×105cm2V-1s-1，电子密度为1×1011cm-2。
所述表面等离激元波导15用于传播表面等离激元太赫兹光子。具体的，所述表面等离激元波导15为在所述半导体异质结表面用平板工艺技术制作的金属纳米线，优选的，在所述半导体异质结表面以金或银或铜或铝等材质制备所述纳米线，用作表面等离激元波导。
所述太赫兹源量子点形成结构形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导15。所述太赫兹源量子点形成结构包括形成于所述半导体异质结表面金属电极。具体的，所述太赫兹源量子点形成结构包括第一源电极11、第一漏电极13、第一门电极12。当所述第一源电极11、第一漏电极12和第一门电极13通电后，在所述二维电子气中形成了太赫兹源量子点14。所述太赫兹源量子点14内部有两个能态，能级间隔对应的频率范围为0.2-2THz。所述第一 门电极12控制所述太赫兹源量子点14的形状和内部能级间隔的大小。当所述第一源电极11、第一漏电极13输入吉赫兹波源后，所述吉赫兹波源激发所述太赫兹源量子点14产生太赫兹光子，进而使所述表面等离激元波导15耦合形成表面等离激元太赫兹光子。
所述太赫兹探测量子点形成结构形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导15。所述太赫兹探测量子点形成结构包括形成于所述半导体异质结表面金属电极。具体的，所述太赫兹探测量子点形成结构包括第二源电极16、第二漏电极18、第二门电极17。当所述第二源电极16、第二漏电极18和第二门电极17通电后，在所述二维电子气中形成了太赫兹探测量子点19。所述第二门电极17控制所述太赫兹探测量子点19的形状和内部能级间隔的大小。优选的，所述太赫兹源量子点14与所述太赫兹探测量子点19到所述表面等离激元波导15距离为1-100nm。所述太赫兹源量子点14与所述太赫兹探测量子点19之间的距离视具体应用可作调整。所述表面等离激元波导15传播的表面等离激元太赫兹光子激发所述太赫兹探测量子点19产生电子-空穴对。向所述第二源电极16、第二漏电极18施加电压，从而将所述电子-空穴对分解成自由载流子而形成可测量的电流信号。
本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法包括如下步骤：
在所述第一源电极11、第一漏电极13、第一门电极12上施加电压，形成所述太赫兹源量子点14；在所述第二源电极16、第二漏电极18、第二门电极17上施加电压，形成所述太赫兹探测量子点19。
在所述第一源电极11、第一漏电极13上输入吉赫兹波源。所述太赫兹源量子点14受到吉赫兹波源的激发，通过高次谐波作用辐射出太赫兹光子。优选的， 所述吉赫兹波源为大功率吉赫兹波源，频率范围为10-100GHz。
所述太赫兹源量子点14辐射出的太赫兹光子由近场耦合作用耦合输入所述表面等离激元波导15的表面等离激元模，从而实现表面等离激元光子的电学激发，形成沿所述表面等离激元波导15传播的表面等离激元太赫兹光子。由于表面等离激元是导体表面源于自由电子集体振荡的电荷密度波与其电磁模联合形成的一种传播激发子，表面等离激元模局域于波导，其尺度大小与波导直径相当，突破了衍射极限的物理限制。优选的，调整所述表面等离激元波导15与所述太赫兹源量子点14之间的距离，可以调整所述表面等离激元波导15与所述太赫兹源量子点14之间的耦合强度，进而提高太赫兹光子的激发效率。
在所述表面等离激元波导15中传播的所述表面等离激元太赫兹光子通过近场耦合作用在所述太赫兹探测量子点19内激发出电子-空穴对。
在所述第二源电极16、第二漏电极18上施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子，形成可测量的电流信号。
通过外部探测电路(图未示)分析所述电流信号的时序特征。从而对所述表面等离激元太赫兹光子进行探测。具体的，通过测量电路测量所述第二源电极16、第二漏电极18中的电流或电导。优选的，调整所述表面等离激元波导15与所述太赫兹探测量子点19之间的距离可以调整所述表面等离激元波导15与所述太赫兹探测量子点19之间的耦合强度，进而提高对太赫兹光子的激发效率。
与现有技术相比，本发明的太赫兹光子片上控制系统及其控制方法利用表面等离激元作为太赫兹光子的载体，采用了平板半导体工艺以形成所述太赫兹源量子点14、所述太赫兹探测量子点19以及所述表面等离激元波导15，从而易于控制器件形貌。本发明的太赫兹光子片上控制系统具有结构紧凑、易与外 部电路集成的特点，实现了在单个芯片上进行太赫兹光子的激发、传播、探测等操控行为。本发明的太赫兹光子片上控制系统利用表面等离激元特有的亚波长局域特性，突破光子器件衍射极限的限制，在纳米尺度进行太赫兹光场局域和控制，实现太赫兹光子的片上操控，无需借助任何远场光学器件就可以进行太赫兹光子信息的全电学操控。在半导体工艺成熟的条件下，具有原理新颖简单、设计灵活方便、在信息领域应用范围广、实用性强的特点。
图1中的本发明的太赫兹光子片上控制系统仅仅示出了一个太赫兹源量子点14和一个太赫兹探测量子点19。所述等离激元波导15周围也可以分布多个太赫兹源量子点14和太赫兹探测量子点19以组成网络，并不限于上述实施方式所述。
本发明的等离激元波导15形成于所述半导体异质结表面，所述等离激元波导15与所述半导体异质结之间也可以设置介质层(图未示)，所述介质层的厚度为1-100nm，并不限于上述实施方式所述。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (8)
1.一种太赫兹光子片上控制系统，其特征在于，包括：
半导体异质结，所述半导体异质结表面形成有二维电子气；
形成于所述半导体异质结表面的表面等离激元波导，所述表面等离激元波导用于传播表面等离激元太赫兹光子；
形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第一源电极、第一漏电极、第一门电极，所述第一源电极、第一漏电极和第一门电极用于形成太赫兹源量子点，所述第一源电极、第一漏电极用于输入吉赫兹波源以激发所述太赫兹源量子点产生太赫兹光子，进而与所述表面等离激元波导耦合形成表面等离激元太赫兹光子；
形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第二源电极、第二漏电极、第二门电极，所述第二源电极、第二漏电极和第二门电极用于形成太赫兹探测量子点，所述表面等离激元太赫兹光子激发所述太赫兹探测量子点产生电子-空穴对，所述第二源电极、第二漏电极用于施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子而形成可测量的电流信号。
2.如权利要求1所述的太赫兹光子片上控制系统，其特征在于，所述表面等离激元波导为金属纳米线。
3.如权利要求2所述的太赫兹光子片上控制系统，其特征在于，所述表面等离激元波导的材料为金或银或铜或铝。
4.如权利要求1所述的太赫兹光子片上控制系统，其特征在于，所述表面等离激元波导与所述半导体异质结之间设置有介质层。
5.一种控制权利要求1所述的太赫兹光子片上控制系统的方法，其特征在 于，包括如下步骤：
在所述第一源电极、第一漏电极、第一门电极上施加电压，形成所述太赫兹源量子点，在所述第二源电极、第二漏电极、第二门电极上施加电压，形成所述太赫兹探测量子点；
在所述第一源电极、第一漏电极上输入吉赫兹波源，所述吉赫兹波源激发所述太赫兹源量子点辐射出太赫兹光子；
所述太赫兹源量子点辐射出的太赫兹光子耦合输入所述表面等离激元波导，形成沿所述表面等离激元波导传播的表面等离激元太赫兹光子；
所述表面等离激元太赫兹光子通过耦合作用在所述太赫兹探测量子点内激发出电子-空穴对；
在所述第二源电极、第二漏电极上施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子，形成可测量的电流信号；
分析所述电流信号的时序特征，从而对所述表面等离激元太赫兹光子进行探测。
6.如权利要求5所述的太赫兹光子片上控制系统的控制方法，其特征在于，所述太赫兹源量子点内部有两个能态，能级间隔对应的频率范围为0.2-2THz。
7.如权利要求5所述的太赫兹光子片上控制系统的控制方法，其特征在于，所述第一门电极控制所述太赫兹源量子点的形状和内部能级间隔的大小，所述第二门电极控制所述太赫兹探测量子点的形状和内部能级间隔的大小。
8.如权利要求5所述的太赫兹光子片上控制系统的控制方法，其特征在于，调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹源量子点之间的距离进而调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹源量子点之间的耦合强度，调整所述表面等离激 元波导与所述太赫兹探测量子点之间的距离进而调整所述表面等离激元波导与所述太赫兹探测量子点之间的耦合强度。
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