CN105044930A - 半导体太赫兹波光调制器 - Google Patents

Abstract

半导体太赫兹波光调制器，涉及光电技术，以及太赫兹波调制和成像技术。本发明包括半导体，其特征在于，在所述半导体的受光面上分散设置有金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒的粒径为1～100nm，相邻颗粒间距1～5nm。本发明的有益效果是，本发明通过小功率的激光就能让光生载流子浓度达到饱和值，适用于小功率激光获得大调制深度的应用。

Description

半导体太赫兹波光调制器

技术领域

本发明涉及光电技术，以及太赫兹波调制和成像技术。

背景技术

太赫兹波是频率在10¹²赫兹的电磁波，处于远红外波段。历史上由于很难制造太赫兹波源，因此对于该频段的电磁波的研究十分滞后。近些年来，太赫兹波源的迅速发展，让太赫兹波技术的研究和运用得到了迅速的发展。经过探讨研究，人们发现太赫兹波在分子波谱、太赫兹成像、遥感和雷达、生物医学、国土安全和通讯中将会有非常重要的运用。目前，太赫兹波的产生、调制和探测还不成熟，还存在许多需要改进的地方，严重限制了太赫兹波相关技术的发展。太赫兹波调制器是通过外加激励信号来改变通过调制器的太赫兹波的强度和相位的器件。对于太赫兹波调制器，重要的技术参数包括调制速度、调制深度和调制的频带宽度。现目前太赫兹波的调制是通过改变半导体、石墨烯和其他材料的导电性质或者通过人工超材料来实现的。其中人工超材料的调制速度和深度比较大，可是带宽较窄，并且生产成本很高，在某些应用中会被限制。而通过改变材料导电性的太赫兹波调制是宽带调制。材料的导电性的改变和快速恢复可以通过：(1)在半导体中产生光生载流子，(2)通过石墨烯晶体管的门电压改变石墨烯的费米能级，(3)通过金属‐绝缘体相变改变材料的导电性。后两种方法都有他们的局限性，所以通过半导体的光生载流子来调制太赫兹波，是一种传统、简单、经济、有效、宽频段的太赫兹波调制方法。但是这种调制方法需要大功率的激光才能产生较大的调制深度，同时其调制速率现在还相对较低(100kHz到1MHz)间。

参考文献：

1.X.M.Lin,C.M.SorensenandK.J.Klabunde,JNanopartRes,2000,2,157‐164.

2.T.L.WenandS.A.Majetich,AcsNano,2011,5,8868‐8876.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在低功率激光下具有较大光调制深度的半导体太赫兹波调制器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，半导体太赫兹波光调制器，包括半导体，其特征在于，在所述半导体的受光面上分散设置有金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒的粒径为1～100nm，相邻颗粒间距1～5nm。

进一步的，所述金属纳米颗粒单层排布于半导体的受光面上。金属纳米颗粒的材质为金或银；

优选的，金属纳米颗粒的粒径为6nm，间距2nm。

金属纳米颗粒的表面带有表面活性剂。所述半导体为硅。金属纳米颗粒均匀排布于半导体的受光面上。

本发明的有益效果是，本发明通过小功率的激光就能让光生载流子浓度达到饱和值，适用于小功率激光获得大调制深度的应用。

附图说明

图1是半导体太赫兹波调制器的原理图。其中(a)为本发明，(b)为现有技术。

图2(a)是金纳米颗粒单层膜在硅片上的扫描电子显微镜图片。

图2(b)金纳米颗粒单层膜的紫外‐可见光光谱图。

图3是静态调制测试曲线图，其中(a),(b),(c)分别为不同调制激光功率下，透射过本征硅的太赫兹波的时域谱、频域谱和透射率，(d),(e),(f)分别为在不同激光功率下，透射过金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅的太赫兹波的时域谱、频域谱和透射率。

图4是动态调制测试曲线图，在100Hz方波激光的激励下，连续太赫兹波透过(a)本征硅，(b)金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅的响应太赫兹方波。(c)为两种调制器在不同激光功率照射下的调制深度，(d)为在不同激光功率下，金纳米颗粒单层膜对太赫兹波调制深度增强的倍数。

图5投射到样品上为激光点成像照片，其中(a)为采用本征硅，(b)为采用金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅。

图像的面积是6毫米X6毫米。

图6为太赫兹光调制系统结构示意图，系统由太赫兹源、太赫兹探测器、光调制信号和太赫兹调制器组成。

具体实施方式

本发明通过化学法制备了大小均匀的金纳米颗粒，并且运用自组装的方法生成了大规模的金纳米颗粒单层膜。将金纳米颗粒单层膜铺在半导体本征硅上(见图1a),用于加强本征硅对太赫兹波的光调制作用。其原理如图1所示。图1a中为半导体本征硅上铺有金纳米颗粒膜的样品，图1b中为未被覆盖的半导体本征硅。当激光照在两个样品上的时候，本征硅会产生光生载流子，但是在一般本征硅中，载流子浓度不是很高，因此需要提高激光功率来增加载流子的浓度(图1b)。但是对于覆盖有金纳米颗粒单层膜的本征硅(图1a)，因为金纳米颗粒的表面等离子体能够将激光汇聚，极大地加强纳米颗粒近表面的电磁场强度，因此即使在小功率激光的照射下，下面的本征硅也会感受到像被大功率激光照射一样。这样在相同激光功率的照射下，被金纳米颗粒覆盖的半导体硅(图1a)将会产生更多的光生载流子，因此对太赫兹波的调制深度更大。由于当激光功率足够大的时候，光生载流子的浓度最终会达到饱和，因此对太赫兹波调制深度也将达到一个极限值。这里的金纳米颗粒单层膜通过小功率的激光就能让光生载流子浓度达到饱和值，因此适用于小功率激光获得大调制深度的应用。

图2(a)为金纳米颗粒单层膜在本征硅上的扫描电镜显微图片，(b)为相应样品的紫外‐可见光吸收光谱。这里为了便于比较，共用了2组样品：第一组样品为传统的本征硅片作为太赫兹波调制器，第二组样品为金纳米颗粒单层膜覆盖的本征硅片作为太赫兹波调制器。分别对这两组样品做静态调制测试(图3)和动态调制测试(图4)。对于静态调制测试，将一个恒定功率的激光照射在样品的表面，然后将一个太赫兹脉冲透射过样片，在样品的另外一面探测透过样片的太赫兹波脉冲的波形和强度。这套探测太赫兹波波形和强度的装备叫做太赫兹时域谱(TDS)。做完一个测试以后，改变激光的功率，再做同样的测试。图3(a)为第一组样品的TDS测试，图3(d)为第二组样品的TDS测试。可以从图象上看出，当改变激光功率时，第一组的太赫兹波形随激光功率的变化不是很大，而第二组样品太赫兹波的波形和强度随激光功率的变化很大，特别是在小功率激光的照射下。图3(a)和(d)分别通过傅立叶变换得到了对应的太赫兹波频域谱图3(b)和(e)。在频域谱中，也可以看出在不同频率下，第二组样品对太赫兹波的调制变化更大。通过频域谱，可以分别计算得到相应的太赫兹波透射率图谱3(c)和3(f)，透射图谱也显示在不同频率下，穿过第二组样品的太赫兹波的透射率在不同激光功率照射下，变化明显大于第一组样品。

图4为太赫兹波动态调制测试。对于动态调制，一个太赫兹连续波将会用于测试。测试的时候，将一个矩形的激光脉冲照射在样品上，然后透射的太赫兹波的强度将会随激光功率的变化而变化。图4(a)和(b)分别为透过第一组和第二组品的太赫兹波强度随时间变化的波形图。其周期与调制激光脉冲的周期一致，最低峰与最高峰之间的差值为太赫兹波的调制深度。改变调制激光的出射功率，并做同样的测试。对比图4(a)和(b)，可以看出覆盖有金纳米颗粒单层膜的样品的调制幅度比裸硅的调制深度要小很多。图4(c)是根据(a)和(b)的波形画出的两组样品的调制深度随激光功率变化的规律。可以看出第一组样品的调制深度总体比第二组小，第一组样品在700mW的调制深度还小于第二组样品在100mW时的调制深度。第一组样品在700mW时，调制深度随激光功率的升高变化很大，还没有达到饱和，而第二组样品很快就在600mW时趋于一个饱和值。图4(d)为不同激光功率下第二组样品与第一组样品调制深度的比值。由图可见，在100mW时，第二组样品的调制深度是第一组样品的4倍，之后随着激光功率的增大，调制深度的提高幅度开始减小，在700mW的时候，铺有金纳米颗粒单层膜的本征硅的调制深度的增加幅度只有大概1.5倍。理论上来说，当激光功率足够大，两组样品对太赫兹波调制深度都达到饱和以后，其调制深度的比值将会在1：1。

综上所述，金纳米颗粒单层膜能够加强激光的近场，因此能够在小功率激光下，与一般硅片相比，让半导体硅片能够对太赫兹波起到一个大的调制作用。在100mW激光的照射下，这种增强作用提高了4倍，因此适用于小功率光调太赫兹波器件上。图5显示的是将两个激光点分别投射到第一组和第二组样品上，并且用太赫兹扫描成像对两个激光点成像。如图所示，对于相同的两个激光点，第一组样品的成像不清晰，而第二组样品的成像则非常清晰。这就是金纳米颗粒单层膜加强半导体太赫兹波调制深度造成的差异。因此该技术在太赫兹成像和通讯等领域会产生重要的影响。

如图6所示，太赫波光调制系统由太赫兹源，太赫兹接收探测装置，激光调制信号，和太赫兹调制器，和控制系统组成。而在此专利中，本发明用于加强基于半导体的宽带太赫兹波光调制器的调制深度。本发明通过在半导体调制器的表面覆盖一层金纳米颗粒单层膜来实现调制深度的增强。跟一般的半导体调制器相比，该膜能够加强光的耦合，从而在小功率激光的照射下，就能让半导体感受到大的激励信号，从而产生大量的光生载流子，从而对太赫兹波起调制作用。因此该发明适用于在小功率激光信号激励下，产生大的太赫兹波调制深度的应用。

这里金纳米颗粒膜是通过纳米颗粒的自组装来实现的。首先，通过化学法合成大小均匀的金纳米颗粒(～6nm)。这些金纳米颗粒的表面由表面活性剂保护，防止金纳米颗粒聚合。其电子扫描电镜图片如图2a所示。合成金纳米颗粒的方法在文献中有大量的报告，本发明选择采用参考文献1中的方法合成大小均匀的金纳米颗粒，其表面有十二硫醇表面活性剂。其它金纳米颗粒的合成方法在这里也同样适用。在此应用中，金纳米颗粒的直径不宜太大，否则虽然对太赫兹波的调制虽然会加强，但是太赫兹波穿过半导体以后，衰减幅度会太大。

大面积金纳米颗粒单层膜的制备见文献2。这种方法在水面上通过控制溶液的蒸发方向和纳米颗粒在溶液里面移动的方向，从而控制金纳米颗粒单层膜的生长。通过这种方法生成的金纳米颗粒单层膜在大面积范围内均匀、缺陷少、界面干净，因此能够对硅片形成连续均匀的覆盖，并且不会影响界面的性质。其它的自组装方法制备的金纳米颗粒膜虽然没有此方法制备的膜完美，同样也适用于此应用，但是只是在硅片的不同的位置对太赫兹波调制深度的加强会有所不同。其它自组装方法如果在界面不干净，就会在金纳米颗粒单层膜和半导体之间引入杂质薄膜，影响光与半导体的偶合，减小对太赫兹波的调制作用。

此外，除了通过化学方法合成金纳米颗粒并且通过自组装生成金纳米颗粒单层膜以外，金纳米颗粒膜也可以通过物理溅射和沉积来实现。但是通过物理法生成的金纳米颗粒膜，一是生产工艺很难控制，如果长成连续膜，其调制效果就会变弱，二是一般不稳定，会通过热扩散或者激光的照射而团聚，因此此物理法制备的颗粒膜对太赫兹膜的调制效果会随作时间衰退，特别是在激光的照射下衰退会明显加快。因此可以通过在金纳米颗粒膜上覆盖上其它材料来阻止金纳米颗粒的团聚。而通过化学法制备的金纳米颗粒膜，因为在金纳米颗粒表面有表面活性剂，因此即使在激光的照射下，纳米颗粒不会团聚，基片的性能也不会发生变化。而且通过化学法制备的金纳米颗粒大小均匀，厚度只有6nm，金纳米颗粒间还有间隙，因此在未被激光照射时完全不会影响太赫兹波的透过。

具体实施方式中使用金纳米颗粒单层膜来演示这个效应，但是其它纳米颗粒如果能加强光与半导体的耦合，也能在这个体系中加强太赫兹波的调制作用，比如银纳米颗粒。本发明使用硅半导体来实现，其他半导体如锗、二氧化钛、硫化镉、砷化镓等等在物理上来说也能产生类似的效果。

Claims (7)

1.半导体太赫兹波光调制器，包括半导体，其特征在于，在所述半导体的受光面上分散设置有金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒的粒径为1～100nm，相邻颗粒间距1～5nm。

2.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述金金属纳米颗粒单层排布于半导体的受光面上。

3.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述金属纳米颗粒的材质为金或银。

4.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述金属颗粒的粒径为6nm，间距2nm。

5.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述金属纳米颗粒的表面带有表面活性剂。

6.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述半导体为硅。

7.如权利要求1所述的半导体太赫兹波光调制器，其特征在于，所述金属纳米颗粒均匀排布于半导体的受光面上。