CN102916238A - 磁表面等离子体波导太赫兹隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁表面等离子体波导太赫兹隔离器装置及其控制方法。本发明由金属壁与半导体锑化铟柱阵列构成非对称、周期性结构的表面等离子体波导。通过在低温下施加外磁场，锑化铟表现出旋电性质，该结构可产生磁表面等离子体模式，实现对太赫兹波单向隔离传输的功能。本发明的单向传输工作频段高于1THz，带宽大于80GHz，其隔离度达90dB，插入损耗低于0.25dB，工作频段可通过外磁场强度控制进行调谐。在185K温度下，通过调节外磁场从0.1T到0.7T，可使器件单向传输频带的中心工作频率从1.42THz调谐到1THz。这种低损耗、高隔离度、宽带可调谐的太赫兹隔离器可以减小太赫兹应用系统中的回波与散射噪声，改善太赫兹光束传输质量。

Description

磁表面等离子体波导太赫兹隔离器

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹波可调隔离器及其控制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，THz波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。然而由于长期以来在THz波段缺乏低损耗、宽带单向传输器件，如隔离器、环形器等，THz应用系统中元件的反射回波和散射噪声严重地限制了系统的性能。

隔离器是一种二端口非互易磁光器件，可实现端口1输入、端口2输出，而禁止端口2输入、端口1输出的单向传输功能，是在可见与近红外波段激光与光通信领域常见的光电器件。隔离器的性能主要由两个方面来决定：一是正向传输时的透过率T_for，高的正向透过率带来低的插入损耗；二是反向波的透过率T_back与正向波透过率之比，即隔离度，表示为Iso＝-10log(T_back/T_for)，反向波越小、正向波越大，隔离度越大，器件的单向传输能力越强。

由于在THz波段具有旋磁或旋电响应的非互易材料十分有限，THz单向传输器件在过去鲜有报道，直到最近，一些THz波非互易传输机制和器件的研究才有初步进展。Fan等提出了基于铁氧体旋磁材料的THz光子晶体可调谐环形器[F.Fan，et al.Opt.Commun.2012，285：3763-3769]，尽管该环形器的隔离度达65dB，但此类器件需要在很大的外磁场(大于7T，1特斯拉＝10⁴高斯)下工作，且工作频率低、带宽窄。Hu等提出了使用半导体旋电材料构成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构实现THz波的单向传输，该器件使用的半导体材料所需的磁场约为1T[B.Hu，et al.Opt.Lett.2012，37，1895-1897]。然而由于MIS结构较为简单，其诱导产生的磁表面等离子模式的单向传输能力很弱，使得该类器件的传输透过率低于60％，隔离度低于30dB。因此，现有THz单向传输器件还很难满足实际应用系统的需要。

由于高电子迁移率半导体如InSb、HgTe、石墨烯等的回旋频率位于THz波段，这种机制的器件工作所需的外磁场较小(低温下小于1T)，因此可作为THz隔离器的工作介质。在近红外波段的大量理论研究表面，除了材料旋磁或旋电性的强弱，器件的结构同样决定着单向传输波导的非互易性。因此需要从材料和器件结构两个方面出发提高THz隔离器的性能：一方面选取合适的高电子迁移率半导体材料，研究其在THz波段的旋电性质，确定适当的工作温度和磁场强度；另一方面通过合理地设计光子晶体、光子微腔、表面等离子体波导的结构以增强器件的单向传输性能。

发明内容

针对现有太赫兹隔离器存在的问题，本发明的目的在于提供一种高隔离度磁场可调控的太赫兹隔离器及其控制方法。

本发明的技术方案为：由金属壁与半导体柱线阵列之间的空气间隙构成表面等离子体波导，波导一侧为金属反射边界、另一侧为半导体柱与空气交替组合的散射边界，该波导结构具有非对称性和周期性。通过在低温下施加一定大小的外磁场，高电子迁移率半导体材料锑化铟将在THz波段表现出旋电性质并诱导产生磁表面等离子体模式，其在非对称性波导结构中具有单向传输特性。又通过半导体柱线阵列的设计引入周期性结构和强散射机制，使得该器件具有特有的光子带隙特性和模式选择特性，大大增强了波导的单向传输性能。本发明将半导体在THz波段的磁光效应、表面等离子体激元效应与器件结构的非对称性、周期性结合起来实现一种新型的高效可调控太赫兹隔离器。

磁表面等离子体波导太赫兹隔离器包括：金属壁、半导体柱阵列、表面等离子体波导、半导体衬底、正向输入端、反向输入端和外磁场，其中表面等离子体波导由金属壁与半导体柱线阵列的间隙构成，THz波沿此波导传输。金属壁使用的材料是铜、铝、银、金等高电导率金属材料，半导体柱阵列和半导体衬底采用高电子迁移率半导体材料——非掺杂锑化铟。该器件制作方法为在锑化铟晶圆上使用离子束深度蚀刻工艺成型一列正方形锑化铟柱和一个台阶，再采用掩膜和溅射镀膜工艺将台阶及其侧壁镀上厚度大于100nm金属膜，从而形成金属壁。半导体柱高大于100μm，柱宽60μm，相邻柱中心间距为100μm，柱边沿与金属壁间距50μm，柱数量不少于15个。

磁表面等离子体波导太赫兹隔离器的工作方法是：在沿半导体柱轴线方向施加一个外磁场，磁场可小于1T，器件所处环境温度为160～220K范围。在此工作条件下，可使器件工作频段位于THz范围，位于工作频段内的THz波以TM偏振波的形式入射，从器件正向输入端输入可获得高效输出，而从反向输入端输入则不能从该器件输出。通过改变外磁场大小可以灵活地调控器件中心工作频率：在恒定温度下，增大外磁场，工作频段向低频移动。器件所处的环境温度也影响着器件所需的磁场大小和工作频段：在固定工作频率下，环境温度越高，所需施加的外磁场越大。

本发明的有益效果是：(1)采用高电子迁移率半导体锑化铟为器件工作介质，并根据锑化铟在THz波段的旋电和色散性质，确定了器件工作在THz波段所需的磁场大小范围和温度范围，较之以往使用微波磁性材料的毫米波、太赫兹波隔离器大大减小了的外加磁场，提高了器件工作频率和带宽；(2)采用金属-空气-半导体的非对称波导结构，结合旋电半导体材料，使得波导中产生磁表面等离子体模式，实现了THz波段的单向隔离传输；(3)采用周期性半导体柱阵列结构，将光子带隙特性引入表面等离子体波导，又将阵列设计为线列结构而引入选模特性，增加了器件对其他模式的散射，这两种效应的综合利用大大增强了磁表面等离子体模式的单向传输特性，使得本发明较之以往太赫兹隔离器具有更高的隔离度和低的插入损耗。

本发明的优点是：较之已有的太赫兹隔离器，该器件插入损耗低，低于0.25dB；隔离度高，大于90dB；工作频率高，可工作在1THz以上；工作宽带大，80GHz单向传输带宽；调谐范围宽，在0.8～1.5THz内磁场可调谐；调控灵活简便，可使用磁场和温度对工作频段进行调控；外加磁场低，185K温度下施加磁场可低于0.7T；结构较为简单、体积小、易于集成化，器件尺寸约为1.5mm×1mm×0.5mm，因此可以满足太赫兹光谱、成像和通信等领域应用系统的要求，具有极大的科研价值和应用前景。

附图说明

图1(a)是磁表面等离子体波导太赫兹隔离器的三维示意图；

图1(b)是磁表面等离子体波导太赫兹隔离器的上视图；

图2(a)是在185K温度、0.4T外磁场下磁表面等离子体波导正、反向传输的色散曲线；

图2(b)是在185K温度、0.4T外磁场下磁表面等离子体波导一个周期单元中各模式电磁场分布；

图3(a)是185K温度、不同外磁场下磁表面等离子体波导隔离器的正向传输THz光谱；

图3(b)是185K温度、不同外磁场下磁表面等离子体波导隔离器的反向传输THz光谱；

图4是185K温度、不同外磁场下磁表面等离子体波导隔离器的隔离度谱线；

图5是在185K温度、0.4T磁场条件下，不同传输方向和频率的THz波入射磁表面等离子体波导隔离器时的稳态电磁场分布示意图；

图6是185K温度下，不同频率THz波正向入射磁表面等离子体波导隔离器的传输透过率随外磁场变化曲线；

图7是在不同外磁场强度下，频率为1.2THz的THz波正向入射磁表面等离子体波导隔离器的传输透过率随温度变化曲线。

图中：金属壁1、锑化铟线阵列2、表面等离子体波导3、锑化铟衬底4、正向输入端5、反向输入端6、外磁场方向7、入射THz波8。

具体实施方式

本发明的工作过程由工作在1THz频率附近的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器实例说明：

器件结构和外磁场方向如图1所示，表面等离子体波导由金属壁与半导体柱阵列的间隙构成，入射的THz波沿此波导传输，其偏振方向为TM波，即电场矢量方向在x-y平面内。从正向输入端5入射的波视为正向传输，从反向输入端6入射的波视为反向传输。半导体柱高大于100μm，柱宽60μm，相邻柱中心间距为100μm，柱边沿与金属壁间距50μm，柱数量为15个。整个器件尺寸为1.5mm×1mm×0.5mm。

半导体使用的是高电子迁移率材料——非掺杂锑化铟(InSb)，金属壁材料选用常见金属铜。InSb的在THz波段的介电性质主要由载流子浓度N决定，而载流子浓度又强烈地依赖于温度T，这一关系可以用经验公式N＝5.76×10¹⁴T¹⁵exp(-0.26/(2×8.625×10^-5×T))(cm^-3)描述。

当施加沿z方向的外磁场时，半导体中的载流子将做绕磁场回旋的螺旋运动，使得半导体在回旋频率ω_c处发生回旋共振，ω_c正比于外磁场ω_c＝eB/m^*，B为磁感应强度。此时半导体的介电函数将变为一个非互易张量，这个张量表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}& -i{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}& 0\\ {\mathrm{i\ϵ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]$

式中各个张量元均是磁场强度、载流子浓度和入射电磁波频率的函数。ε_xy/ε_xx的大小反映了材料旋电性的强弱。因此，磁场和温度都强烈地影响着材料的介电性质，材料还显示出很强的色散性质。当InSb处于160-220K温度和0～1T磁场范围时，可以在0.1～2THz频段内产生较强的旋电性。

由于InSb材料的旋电性和波导结构的非对称性，使得波导的时间反演对称性被破坏，如图2(a)所示，185K、0.4T条件下正负传播方向上的波导色散曲线是不同的。又由于引入周期结构，色散曲线还在THz波段表现出显著的光子带隙特性，落在光子禁带内的THz频率将不能在波导中传输。如图2(b)所示，模式1是一个沿着InSb柱右边缘传播的表面等离子体模式，模式2和4为InSb柱中的旋转磁光模式，通过磁光耦合沿着一维InSb柱阵列传播。这三个模式在空间上的局域性很弱，受到InSb柱的散射，在很短的传播距离内就大量泄露到右侧的空气中，不能在波导中稳定传输。只有模式3被很好地限制在InSb柱阵列左边缘和金属壁之间的波导中，是可以稳定地支持THz波在波导中传输的磁表面等离子体模式。更重要的是，模式3在正向和反向传输方向上对应的频带有显著的不同，1.15-1.25THz范围内可以实现单向传输功能，而对于不同外磁场和温度下，InSb的介电张量发生变化，磁表面等离子体模式对应的频带发生移动，器件可以实现宽带可调谐功能。

185K温度、不同磁场下该隔离器的正向与反向传输谱如图3所示，隔离度谱线如图4所示。以185K温度0.4T外磁场谱线为例分析，对于正向输入端，在1.17-1.25THz处有一个高透过率通带，最大透过率95％。反向波在整个1-1.5THz频段的透过率都很低。30dB隔离度带宽超过了80GHz，而其中最大隔离度高达90dB，插入损耗小于0.25dB，从而很好地实现了单向传输功能。如图3(a)所示，随着外磁场的增加，传输谱的通带向低频移动，带宽增大。又如图4所示，当磁场从0.1T增大到0.7T，隔离度谱线的中心频率从1.42THz移动到1.0THz。在这一过程中，隔离度谱线的30dB带宽基本保持80GHz不变。图5显示了器件在不同频率上的单向传输的稳态电磁场分布。对于1.18THz，正向波可以通过，反向波不能通过，这是由磁表面等离子体模式的非互易传输特性决定的；对于1.28THz，正向和反向波都不能通过，这是由波导的光子禁带决定的。图6显示了195K温度下0.8，1.0，1.2，1.4THz工作频率下传输透过率随外磁场变化的关系。随着磁场的增加，透过率升高达到峰值，不同频率下的正向透过率峰对应的磁场是不同的，外磁场越高对应工作频率越低。其次，图7显示了固定频率1.2THz在0，1，2，3，4T外磁场下传输透过率随温度变化的关系，更低的工作温度对应着更小的磁场使得器件达到最大隔离度。因此，外磁场和工作温度都强烈地影响着该器件的单向传输性能，这一隔离器的工作频带可以通过外磁场和温度来进行控制。

Claims (7)

1.一种磁表面等离子体波导太赫兹隔离器，其特征在于包括金属壁(1)、半导体柱阵列(2)、表面等离子体波导(3)、半导体衬底(4)、正向输入端(5)、反向输入端(6)、外磁场(7)。

2.根据权利要求1所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器，其特征在于半导体柱阵列(2)为多行单列一维周期性排列的方形柱线阵列，柱高大于200μm，柱宽60μm，相邻柱中心间距为100μm，柱边沿与金属壁间距50μm，半导体柱数量不少于15个。

3.根据权利要求1所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器，其特征在于表面等离子体波导(3)由金属壁(1)与半导体柱阵列(2)之间的空气间隙构成，太赫兹波沿此波导传输，波导一侧为金属反射边界，另一侧为半导体柱与空气交替组成的散射边界，该波导结构具有非对称性、周期性和模式选择特性。

4.根据权利要求1所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器，其特征在于金属壁(1)使用的材料是铜、铝、银、金等高电导率金属材料，半导体柱阵列(2)和半导体衬底(4)采用高电子迁移率半导体材料——非掺杂锑化铟，该器件制作方法为在非掺杂锑化铟晶圆上使用离子束深度蚀刻工艺成型高度大于200μm的一列正方形锑化铟柱和一个台阶，再采用掩膜和溅射镀膜工艺将台阶及其侧壁镀上厚度大于100nm金属膜形成金属壁。

5.根据权利要求1所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器和权利要求3所述的表面等离子体波导(3)的结构特征，其特征在于在施加外磁场(7)条件下，表面等离子体波导(3)中将产生一个磁表面等离子体模式，仅有此模式在该波导(3)中稳定存在并单向传输，其他模式被散射掉，这是该器件工作的基础，且此模式的频率位置依赖于外磁场和环境温度的大小。

6.一种使用权利1所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器的调控方法，其特征在于施加沿半导体柱(2)轴线方向的外磁场(7)，磁场可小于1T(单位T，特斯拉)，器件所处环境温度为160～220K，在此工作条件下，器件工作频段位于太赫兹波段，位于工作频段内的太赫兹波以横磁(TM)偏振模的形式入射，从器件正向输入端(5)输入可获得高效输出，而从反向输入端(6)输入则不能从该器件输出。

7.根据权利6所述的磁表面等离子体波导太赫兹隔离器的调控方法，其特征在于通过改变外磁场和环境温度大小改变磁表面等离子体模式的频率位置，从而灵活地调控器件中心工作频率：在恒定温度下，增大外磁场，工作频段向低频移动；在固定工作频率下，环境温度越高，所需施加的外磁场越大。

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