CN104166249A - 一种太赫兹波的光学调制器件、调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波的光学调制器件，用于对太赫兹波进行调制。该光学调制器件包括由金属层以及附着于所述金属层一侧表面的本征半导体层所构成的复合层，该本征半导体在照射其表面的光强调制下的最大等离子体频率小于调制范围内的太赫兹波的频率；复合层上设置有亚波长孔阵列结构。本发明还公开了一种太赫兹波的光学调制方法，令太赫兹波由光学调制器件的本征半导体层一侧向另一侧发射；通过改变照射在光学调制器件的本征半导体层表面的光强，使得穿过光学调制器件后的太赫兹波的强度随之变化，实现太赫兹波的调制。本发明可在正常温度下实现太赫兹波的强度调制，且调制的频率和幅度范围大、调制速度快，实现成本低。

Description

一种太赫兹波的光学调制器件、调制方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁波调制技术，尤其涉及一种太赫兹波的光学调制器件、调制方法及装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常指频率范围在0.1～10THz，波长在30μm～3mm范围内的电磁波,其波段在微波和红外光之间,属于远红外波段。但在过去相当长的时间里,由于缺乏有效的产生和检测方法,人们对于该频段电磁辐射性质的了解非常有限,以至于该频段被称为电磁波谱上最后一块未开发的前沿,即所谓“太赫兹空白”。尽管目前太赫兹波科学技术还远未成熟,但是其重要的理论研究价值和广泛的应用前景己经引起学术界的广泛关注和极大兴趣,太赫兹频段是电磁波谱中唯一尚未完全开发的频段,对于该频段的研究已成为近几年来科学研究最前沿的领域之一。

虽然太赫兹波的传播特性在通信等行业有较好的应用前景，但是目前对太赫兹波缺乏有效的开关或调制手段。现有的开关或调制器尚有很多不足之处，比如：R.Kersting等人设计的太赫兹调制器需要极低的温度才能运作[R.Kersting,G.Strasser and K.Unterrainer,“Terahertz phase modulator”Electron.Lett.36,1156–1158(2000)]；T.Kleine-Ostmann等人设计的太赫兹调制器虽然可以在常温下工作，但是只能对太赫兹信号进行振幅很小的调制[T.Kleine-Ostmann,P.Dawson,K.Pierz,G.Hein,and M.Koch,“Room-temperature operation of an electrically driven terahertz modulator”Appl.Phys.Lett.84,3555–3557(2004)]；J.Saxler等人设计的太赫兹调制器调制的幅度可以达到50％，但其调制频率不够快，只能达到几千赫兹，而且该调制器的制作工艺也较复杂[H.T.Chen,W.J.Padilla,J.M.O.Zide,A.C.Gossard,A.J.Taylor and R.D.Averitt,“Active terahertzmetamaterial devices”Nature444,597–600(2006)]；Abul K.Azad等人设计的太赫兹调制器调制时间可达皮秒量级，但是调制的太赫兹信号能量损失较大，制作工艺也比较复杂[Abul K.Azad,Hou-Tong Chen,Satish R.Kasarla,Antoinette J.Taylor,Zhen Tian et al，“Ultrafast optical control of terahertz surface plasmons in subwavelength hole arrays at roomtemperature”Appl.Phys.Lett.95,011105(2009)]；Wei Cao等人设计的太赫兹调制器为机械调制，可以在常温下工作，但是其制作工艺复杂，制作成本高[Wei Cao,Chunyuan Song,Thomas E.Lanier,Ranjan Singh,John F.O’Hara,William M.Dennis,Yiping Zhao，andWeili Zhang，“Tailoring terahertz plasmons with silver nanorod arrays”Sci Rep.3:1766(2013)]。

杨涛课题组提出了“一种太赫兹表面等离子体波光学调制器及其调制方法”(参见公开号为CN102096269A的中国发明专利，其申请日为2011-1-18，公开日为2011-6-15)，该专利中所述方法使用两个光栅或平行放置的刀片将太赫兹波转化为太赫兹表面等离子体波以及将调制后的太赫兹表面等离子体波转化为太赫兹波,然后采用激光调制信号照射在本征半导体晶片从而调制在半导体和空气界面传播的表面等离子体波。该方法中，使用了平行放置的刀片来实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的相互转换，这种方法的转换效率太低，光路搭建也较为困难。除此以外，该方法使用的半导体需要满足常温下等离子体频率在太赫兹波段，而满足这一条件的半导体只有锑化铟等少数半导体，所以该方法只能对接近半导体等离子体频率的部分频段的太赫兹波实现调制，可见该调制方法的可调制频率范围有限。因此，有必要设计一种成本低、调制频率范围宽、容易实现的太赫兹频段调制装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有太赫兹波调制技术的不足，提供一种太赫兹波的光学调制器件、调制方法及装置，可在正常温度下实现太赫兹波的强度调制，且调制频率范围更宽、调制幅度范围更大、调制速度更快，同时易于实施且实现成本低廉。

本发明具体采用以下技术方案：

一种太赫兹波的光学调制器件，用于对太赫兹波进行调制，该光学调制器件包括由金属层以及附着于所述金属层一侧表面的本征半导体层所构成的复合层，所述本征半导体在照射其表面的光强调制下的最大等离子体频率小于调制范围内的太赫兹波的频率；所述复合层上设置有亚波长孔阵列结构，所述亚波长孔阵列结构的晶格常数a₀满足以下条件：

$\frac{v\sqrt{l^2+m^2}}{f_{\max }\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}}}\≤a_0\≤\frac{v\sqrt{l^2+m^2}}{f_{\min }\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}}},$

式中，v为太赫兹波在外部气体或真空中的传播速度，ε₁为所述本征半导体层和外部气体或真空的等效介电常数，ε₂是所述金属层的介电常数，f_min、f_max分别为所调制太赫兹波的最小、最大频率，l，m是整数模指数。

更进一步地，所述光学调制器件还包括附着于所述金属层另一侧表面的介质层，所述介质层上设置有与复合层上的亚波长孔阵列结构相同的亚波长孔阵列结构，且这两个亚波长孔阵列结构相互重叠。

一种太赫兹波的光学调制方法，令太赫兹波穿过如上任一技术方案所述光学调制器件，太赫兹波由所述光学调制器件的本征半导体层一侧向另一侧发射；通过改变照射在所述光学调制器件的本征半导体层表面的光强，使得穿过所述光学调制器件后的太赫兹波的强度随之变化，从而实现太赫兹波的调制。

一种太赫兹波的光学调制装置，包括强度可调的激光源、光学整形单元，以及如上任一技术方案所述光学调制器件，光学整形单元可使强度可调的激光源发出的激光均匀照射在所述光学调制器件的本征半导体层表面。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1、能有效地调制太赫兹波的强度。与传统太赫兹波调制器相比，本发明可以在正常温度下实现太赫兹波的强度调制，调制频率范围宽，调制幅度范围大。

2、制作成本低。因为在金属或者半导体基片上采用现有各种成熟工艺可很容易地制作出孔阵列结构，而且本发明对本征半导体和金属材料的选取要求较低，所以整个装置的成本较低。

3、实现方式简单。因为本发明的太赫兹波调制方法是通过透射实现的，所以在光路搭建上更加简单，更易于实现。

4、可以实现快速调制。本发明理论上的调制时间可达皮秒量级，因此可以用于太赫兹波通信等对调制速度要求较高的领域。

附图说明

图1是本发明的太赫兹波光调制装置的结构原理示意图；

图2是本发明光学调制器件的一种结构；

图3是本发明光学调制器件的另一种结构；

图4是等离子体频率和光强的关系图(常温下本征半导体Si的等离子体频率，波长800nm的激光光强)。

图中各标号含义如下：

1、本征半导体层，2、金属层，3、亚波长孔阵列结构，4、介质层，5、强度可调的激光源，6、光学整形装置，7、激光调制信号，8、调制前的太赫兹波，9、调制后的太赫兹波。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是针对现有太赫兹波调制技术的不足，利用超强透射这种增强效应并结合太赫兹表面等离子体波光学调制技术，提出一种调制频率范围更宽、调制幅度范围更大、调制速度更快的太赫兹波光学强度调制方案。

超强透射是近几年来的一大研究热点。根据经典的衍射光学理论，光在透过孔径结构时，透过率为(D/λ)⁴。其中D表示孔径尺寸，λ为入射光的波长。由此可见，当D小于λ(即对于亚波长结构)时，透过率应非常小。这种看法持续了很长时间，直到Ebbesen等人于1998年率先报道了光波透过亚波长金属孔径阵列时存在超强透射现象[T.W.Ebbesen,H.J.Lezec,H.F.Ghaeml,Extraordinary optical transmission throughsub-wavelength hole arrays.Nature,391:667-669(1998)]。他们在实验中发现:对于某些特定的波长，透过孔径的光场能量可以大于孔径上总的入射光场能量。Ebbesen等人在发表的文章中认为,超强透射现象源于表面等离子体激元的激发。当入射光照射在金属表面上时,由于亚波长小孔的散射及波的干涉效应,在金属表面上可以产生衍射波。其中一部分衍射波沿着远离金属表面的方向传播并衰减,另一部分则为束缚在界面附近的倏逝波。在光照射时,如果某一阶衍射波刚好与表面等离子体激元的动量匹配,则表面等离子体激元被共振激发。表面等离子体激元的激发可导致金属表面附近电磁场的极大增强,这一增强就会引起超强透射现象。此后，亚波长孔径的透射问题迅速成为亚波长光学中的研究热点，人们在这方面做了许多有价值的研究工作。这种增强效应突破了经典衍射光学理论的限制，在光场局域、微腔量子电动力学、高密度数据存储、近场光学等领域具有巨大的应用潜力。

本发明即利用超强透射的机理与太赫兹表面等离子体波的光学调制相结合，来实现太赫兹波的强度调制。

图1显示了本发明太赫兹波光调制装置的结构原理。如图1所示，本发明的太赫兹波光调制装置包括一个光学调制器件以及强度可调的激光源5(由激光器及激光调制器组成)、光学整形装置6。本发明的光学调制器件包括由金属层2以及附着于金属层2一侧表面的本征半导体层1所构成的复合层，在该复合层上设置有亚波长孔阵列结构3。

如图1所示，调制前的太赫兹波8由所述光学调制器件的本征半导体层一侧向另一侧发射，由于本征半导体在照射其表面的光强调制下的最大等离子体频率小于调制范围内的太赫兹波的频率，因此太赫兹波8所激发的表面等离子体波会在本征半导体层1和金属层2之间的界面传播。由强度可调的激光源5发出并经光学整形装置6整形后的激光调制信号7均匀照射在光学调制器件的本征半导体层1表面，激光调制信号7的照射改变了该半导体层1表面各处的光生载流子数量从而改变其等离子体频率；根据Drude模型，当等离子体频率改变时，半导体的介电常数也会改变。由于太赫兹波所激发的表面等离子体波是在本征半导体层1和金属层2之间的界面传播的，所以当本征半导体的介电常数改变时，亚波长孔阵列结构3的共振透射峰的频率也将改变，透射过亚波长孔阵列结构3的共振透射峰频率附近的太赫兹波强度也将改变。因此，通过改变照射在所述光学调制器件的本征半导体层1表面的光强，使得穿过所述光学调制器件后的太赫兹波9的强度随之变化，从而实现太赫兹波的调制。为了便于公众更好的了解，下面对本发明的原理进行详细说明。

根据Drude模型，半导体的介电常数可以由下式给出：

${\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1={\mathrm{\ϵ}}_1+i{\mathrm{\ϵ}}_1^{\′}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}[1-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2{\mathrm{\τ}}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2}+i\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2\mathrm{\τ}}{\mathrm{\ω}(1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2)}]$

上述公式中，是半导体的复介电常数，ε₁是半导体复介电常数的实部，ε₁′是半导体复介电常数的虚部，ε_static是半导体的静态介电常数，ω_p是半导体的等离子体角频率，ω是所传输的太赫兹波角频率，τ是动量驰豫时间，它可以由半导体的载流子迁移率计算得出：

$\mathrm{\τ}=\frac{m^{*}\mathrm{\μ}}{e}$

上述公式中，m*是载流子的有效质量，μ是载流子迁移率，e是一个载流子所带电量。根据Drude模型，通过改变半导体的等离子体角频率ω_p可以改变半导体的介电常数。半导体的等离子体角频率ω_p与半导体的等离子体频率f_p的关系是：

$f_p=\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{2\mathrm{\π}}$

半导体的等离子体角频率ω_p可由下式计算得出：

${\mathrm{\ω}}_p=\sqrt{\frac{n{e}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}{m}^{*}}}$

上述公式中，n是半导体的自由载流子浓度，ε₀是绝对介电常数，ε_static是半导体的静态介电常数，m*是载流子的有效质量。因为半导体的自由载流子浓度会随着光生载流子数量变化而变化，所以改变光强大小就可以改变该半导体表层的等离子体角频率ω_p，从而改变半导体的介电常数。半导体表面的光生载流子浓度可△n_s由下式计算得出：

$\mathrm{\Δ}{n}_s=\frac{20000\mathrm{I\β\τ}{(\mathrm{hf}-E_g)}^{1/2}}{\mathrm{hf}}$

上述公式中，I是激光强度，β是量子产率，代表每吸收一个光子产生的电子-空穴对数，τ是动量驰豫时间，h为普朗克常数，f为调制光的频率，E_g为半导体的能隙。再结合半导体的等离子体角频率计算公式我们可以得到激光强度I和半导体的等离子体频率f_p的关系式：

$I=(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{static}}{m}^{*}{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{e^2}-n_0)\frac{\mathrm{hf}}{20000\mathrm{\β\τ}{(\mathrm{hf}-E_g)}^{1/2}}$

上述公式中，n₀是半导体的本征载流子浓度。在本征半导体为硅(Si)，激光调制信号波长为800nm的情况下，将参数代入上述公式中(ε₀＝8.854×10^-14F/cm，ε_static＝11.7，m*＝1.08m₀，m₀＝9.1×10^-31kg，τ＝5×10^-8s，e＝1.6×10^-19C，n₀＝1×10¹⁰cm^-3，h＝6.63×10^-34J·s，f＝3.74×10¹⁴Hz，β＝1，E_g＝1.12eV)我们可以得到图4所示的半导体Si的等离子体频率和激光调制信号光强的关系。

太赫兹波入射在亚波长孔阵列结构上引起的超强透射这一现象的共振透射峰峰值频率可根据表面等离子体的色散方程推导求得，其激发的共振透射峰峰值频率f_SPP如下：

$f_{\mathrm{SPP}}=\frac{v\sqrt{l^2+m^2}}{a_0}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}}$

上述公式中，v为太赫兹波在外部气体或真空中的传播速度,a₀是亚波长孔阵列结构的晶格常数。l，m是整数模指数。这里，ε₁为半导体和外部气体(或真空)的等效介电常数(复介电常数的实部)。ε₂是金属的介电常数(复介电常数的实部)。因为超强透射的共振透射峰峰值频率随着半导体的介电常数改变而改变，所以改变激光调制信号的光强大小就可以改变该半导体的介电常数，从而改变共振透射峰峰值频率由于该孔阵列结构的共振透射峰峰值频率改变，透射过该结构的共振透射峰频率附近的太赫兹波强度也将改变。

为了能够对任意给定的频段或频率的太赫兹波进行调制，需要利用超强透射的共振透射峰峰值频率公式根据被调制的太赫兹波的频段或频率以及光调制器件上的半导体和金属的介电常数设置亚波长孔阵列结构的结构参数。假设要对频率范围为f_min～f_max的太赫兹波进行调制，f_min、f_max分别为所调制太赫兹波的最小、最大频率，则亚波长孔阵列结构的晶格常数a₀应满足以下条件：

$\frac{v\sqrt{l^2+m^2}}{f_{\max }\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}}}\≤a_0\≤\frac{v\sqrt{l^2+m^2}}{f_{\min }\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}}}$

式中，v为所调制太赫兹波在外部气体或真空中的传播速度，ε₁为所述本征半导体层和外部气体或真空的等效介电常数，ε₂是所述金属层的介电常数，l，m是整数模指数。

假设我们要对1.0THz-1.2THz这一频段的太赫兹波进行调制，我们需要根据超强透射的共振透射峰峰值频率公式设置合适的亚波长孔阵列参数，使得这一频段的太赫兹波能够在亚波长孔阵列结构3产生共振透射峰。如果以硅作为本征半导体层1的材料，铝为金属层2的材料。根据半导体介电常数公式计算可得半导体Si在1THz时的介电常数ε₁＝11.9。在l²+m²＝1，金属为铝(在1THz时ε₂＝-33000)的情况下，由上述的共振透射峰峰值频率公式计算可得知，当共振透射峰峰值频率f_SPP为1.2THz时，亚波长孔阵列结构3的晶格常数a₀为72.5μm；当共振透射峰峰值频率f_SPP为1.0THz时，a₀为87.0μm。所以为了使得1.0THz-1.2THz这一频段的太赫兹波能够在光强调制前在孔阵列结构3产生共振透射峰，制作的亚波长孔阵列结构3的晶格常数需要在72.5μm到87.0μm之间，这里我们选取85μm。对于其它的本征半导体材料和金属材料以及需调制的太赫兹波频段，同样可根据以上条件确定合适的亚波长孔阵列参数。

图2显示了本发明光学调制器件的一种结构，该结构的光学调制器件仅包含金属层和本征半导体层，如图所示，使用等离子刻蚀等方法在1mm厚的铝金属层2上刻蚀一个亚波长孔阵列结构3(孔的直径为40μm，晶格常数为85μm)。在铝金属层2一侧表面采用磁控溅射技术镀一层本征硅薄膜作为半导体层1。

图3显示了本发明光学调制器件的另外一种结构，该结构中除了金属层和本征半导体层以外，在金属层的另一侧还有一层介质层。使用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)注塑成型工艺制作一个具有亚波长孔阵列3(孔的直径为40μm，晶格常数为85μm)2mm厚的PMMA介质层4，在PMMA介质层4一侧表面通过真空蒸镀技术镀一层100nm厚的铝薄膜金属层2，铝薄膜金属层2表面采用磁控溅射技术镀一层本征硅薄膜作为半导体层1。

本实施例中，使用由800nm连续波激光器(掺钛蓝宝石激光器)和最高调制频率为40GHz的铌酸锂电光调制器组成的强度可调光源5，设置于光调制器件的镀有本征硅半导体层1的一侧上方，使其发射的激光调制信号7通过光学整形装置6能够均匀照射到半导体层1的表面。然后通过铌酸锂电光调制器调节激光器所发的激光调制信号7的光强，半导体的等离子体频率就会随之变化，从而调制在半导体层1和金属层2界面传输的太赫兹表面等离子体波的频率。当没有激光调制信号7照射在孔阵列一侧的Si半导体层1上时，由上述的激光强度I和半导体的等离子体频率f_p的关系式计算可以得知此时的半导体Si的等离子频率为0.00025THz，由上述的半导体介电常数公式计算可得此时半导体Si在1THz时的介电常数ε₁＝11.7。在l²+m²＝1，金属为铝(在1THz时ε₂＝-33000)的情况下，由上述的共振透射峰峰值频率公式计算可得知太赫兹通过该结构的峰值为1.04THz。当激光调制信号7的光强为20W/cm²时,由上述的激光强度I和半导体的等离子体频率f_p的关系式计算可以得知此时的半导体Si的等离子频率为0.57625THz，由上述的半导体介电常数公式计算可得此时半导体Si介电常数的实部ε₁＝8.08。在l²+m²＝1，金属为铝的情况下，由上述的共振透射峰峰值频率公式计算可得知太赫兹通过该结构的峰值为1.25THz。在实际情况中，由于ε₁为半导体和外部气体(或真空)的等效介电常数，根据半导体层的厚度不同，太赫兹波通过该结构的峰值不同程度的略大于计算值。因此，当激光调制信号7的光强从0W/cm²变到20W/cm²时，透射过该亚波长孔阵列结构的太赫兹波9的强度将随着激光调制信号7的光强改变而改变，从而实现了对太赫兹波的调制。

本实施例中只是对半导体层1为Si，金属层2为铝，l²+m²＝1的情况进行了讨论。在实际应用中，利用超强透射的共振透射峰峰值频率公式根据被调制的太赫兹波的频段或频率以及孔阵列结构上的半导体和金属的介电常数设置孔阵列的晶格常数，使得在光强调制前透过孔阵列的太赫兹波8的透射波谱有较强的共振透射峰。当该共振透射峰的峰值频率f_SPP的理论值在被调制的太赫兹波频段范围内或在被调制的太赫兹波频率范围附近，就可以对一定频段或频率的太赫兹波进行调制。

Claims (4)

1.一种太赫兹波的光学调制器件，用于对太赫兹波进行调制，其特征在于，该光学调制器件包括由金属层以及附着于所述金属层一侧表面的本征半导体层所构成的复合层，所述本征半导体在照射其表面的光强调制下的最大等离子体频率小于调制范围内的太赫兹波的频率；所述复合层上设置有亚波长孔阵列结构，所述亚波长孔阵列结构的晶格常数                                                满足以下条件：

   ，

式中，v为太赫兹波在外部气体或真空中的传播速度，ε ₁为所述本征半导体层和外部气体或真空的等效介电常数，ε ₂是所述金属层的介电常数，、分别为所调制太赫兹波的最小、最大频率，l，m是整数模指数。

2.如权利要求1所述光学调制器件，其特征在于，还包括附着于所述金属层另一侧表面的介质层，所述介质层上设置有与复合层上的亚波长孔阵列结构相同的亚波长孔阵列结构，且这两个亚波长孔阵列结构相互重叠。

3.一种太赫兹波的光学调制方法，其特征在于，令太赫兹波穿过如权利要求1或2所述光学调制器件，太赫兹波由所述光学调制器件的本征半导体层一侧向另一侧发射；通过改变照射在所述光学调制器件的本征半导体层表面的光强，使得穿过所述光学调制器件后的太赫兹波的强度随之变化，从而实现太赫兹波的调制。

4.一种太赫兹波的光学调制装置，其特征在于，包括强度可调的激光源、光学整形单元，以及如权利要求1或2所述光学调制器件，光学整形单元可使强度可调的激光源发出的激光均匀照射在所述光学调制器件的本征半导体层表面。