CN105914565A - 一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹成像领域技术，涉及太赫兹成像相关领域的调制器件，具体提供一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，包括半导体激光器、光纤、光纤调制器及太赫兹幅度调制结构，所述半导体激光器产生的激光通过光纤耦合进入光纤调制器；其特征在于，所述太赫兹幅度调制结构由硅基底层及其表面的硅纳米针尖阵列构成，所述光纤调制器输出调制激光入射到硅纳米针尖阵列表面。本发明采用硅纳米针尖阵列和高阻硅/本征硅层的双层结构；硅纳米针尖阵列的在高阻硅/本征硅的表面形成折射率的梯度变化，能够同时降低太赫兹波和泵浦激光的反射，显著降低器件插损和提高对泵浦激光的利用率，实现器件在较小的泵浦激光功率下获得相对较高的调制深度。

Description

一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器
技术领域
本发明属于太赫兹应用技术领域，涉及太赫兹成像和通信相关领域的信号幅度调制器件，具体为一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz-10THz之间的电磁波；太赫兹辐射作为一种电磁波，与可见光、X射线、红外、超声波等一样可以作为物体成像的信号源。其原理是利用成像系统将所记录下来的样品的透射谱或反射谱信息(包括振幅相位的二维信息)进行分析和处理，最后得到样品的太赫兹图像。太赫兹成像技术已经成为太赫兹科学技术应用的热点和重点，在探测成像、人体安检、物质识别、医疗诊断等领域具有巨大的应用潜力。
对于太赫兹成像设备而言，速度和图像清晰度被视作最终应用太赫兹成像仪的关键步骤；实现该关键步骤的核心是开发出一种可以产生高效掩膜(类似相机的光圈)的技术，具备调谐太赫兹辐射以便在极短时间内产生清晰图像的能力。空间型太赫兹波调制器应运而生，为了提升成像清晰度，空间调控应当具有足够大的调控深度和极低的插入损耗，才能使探测器产生足够响应的信号，达到满足成像要求的信噪比；然而在太赫兹频段，绝大多数自然物质对太赫兹电磁波缺乏有效的电磁响应；基础材料的缺乏导致空间型太赫兹调制器在速率、深度、插损和CMOS兼容性等方面均受到限制，无法满足太赫兹成像技术的需要。
2013年，文献“Z.W.Xie,Spatial Terahertz Modulator,Scientific Reports,3:3347,2013”公开一种利用高阻硅片(HR-Si)构建了一种光控的空间型太赫兹调制器，其机理是利用了光生载流子对太赫兹波的吸收作用；高阻硅或者本征硅中平衡载流子浓度非常低，对太赫兹波没有显著吸收；但当用一定波长的激光照射硅片时，被照射的区域产生光生载流子，由于光生载流子对太赫兹波的吸收作用，因而形成了对于太赫兹波的低透射区域。因此，利用传统的空间光调制器(SLM)对激光束进行空间调制，调制过后的激光将会被照射在硅片上，形成低透和高透两种不同的区域(或者格子)，通过改变光投影的图案，实现格子的独立同步编码变换，从而可以实现对太赫兹波的空间编码调控。但是，硅片的折射率高达3.4，无论是激光或者太赫兹波，入射到硅片上都会产生严重的反射，对太赫兹波的反射达到35％-50％，对激光的反射也高达40％以上；因此器件的太赫兹损耗非常大，上述所报道的高阻硅片空间型太赫兹调制器的太赫兹透射率仅仅只有50％，在目前太赫兹辐射源功率普遍较低(微瓦到几毫瓦)的情况下尤为不利；另一方面，也需要提供更大的激光功率以便获得达到实用要求的太赫兹调制效果。如何同时降低对激光和太赫兹波的反射，对于提高光控太赫兹空间调制具有重要的意义和价值。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，本发明的核心是通过化学刻蚀方法在高阻硅/本征硅的表面制备出适当长度的硅纳米针(Nano-Tips)，从而构成了硅纳米针层和高阻硅/本征硅层的双层结构。该双层结构在300nm-1000nm波长的泵浦激光作用下产生光生载流子，对太赫兹波幅度产生吸收，因而通过调制泵浦激光功率即可以实现对太赫兹波幅度调制，形成了一种光控太赫兹波幅度调制器。高阻硅/本征硅层的作用是在泵浦激光作用下产生非平衡载流子的，实现对太赫兹波透射幅度的调制；而纳米针层的主要作用是在高阻硅/本征硅的表面形成折射率的梯度变化，能够同时降低太赫兹波和泵浦激光的反射，显著降低器件插损和提高对泵浦激光的利用率，实现器件在较小的泵浦激光功率下获得相对较高的调制深度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，包括半导体激光器、光纤、光纤调制器及太赫兹幅度调制结构，所述半导体激光器产生的激光通过光纤耦合进入光纤调制器；其特征在于，所述太赫兹幅度调制结构由硅基底层及其表面的硅纳米针尖阵列构成，所述光纤调制器输出调制泵浦激光入射到硅纳米针尖阵列表面。
进一步的，所述的硅基底层采用是高阻硅或者本征硅，其电阻率≥1000Ω·cm，厚度为300μm以上。
所述的硅纳米针阵列为上细下粗的垂直针状结构阵列，每一根纳米针的直径≤100nm、高度为1μm～20μm；该硅纳米阵列由上述硅基底层通过纳米加工工艺制备而成，硅纳米针的制备主要采用化学刻蚀法。
所述半导体激光器的输出波长为300nm～1000nm，激光强度为300mW以上；光纤采用与半导体激光器相匹配的光纤，用于将半导体激光器和光纤调制器相耦合；光纤调制器是对光纤输出的激光进行强度调制，产生强弱变化的调制激光，调制激光的峰值强度达到50mW/cm2以上以保证获得较大的调制深度，调制激光的光斑面积应该完全覆盖需要调制的太赫兹波束的面积。
本发明提供的基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器，其核心为采用硅纳米针尖阵列和硅基底层的双层结构，同时达到降低太赫兹调制器的插损和提高调制深度的效果。从原理上讲，空气的折射率为1，硅的折射率为3.4，根据电磁波理论，可以计算得到太赫兹波的反射率达到40％-50％以上；而硅纳米针结构在硅片表面形成一种折射率梯度渐变结构(从空气折射率1渐变为硅折射率3.4)，由电磁波理论可知，渐变折射率结构消除了材料间突变界面，太赫兹波几乎不反射而进入纳米针内部，由于高阻硅对太赫兹波的吸收非常小，因而该双层结构对太赫兹波高度透明；而当激光(波长300nm～1000nm)辐照Si基底时，Si内部电子受激跃迁，产生光生电子-空穴对，对太赫兹波产生吸收，因而太赫兹波透射下降，且太赫兹波的透射强度随着激光功率的增加而下降。同时，对于普通Si片，对激光的反射率为40％-50％及以上(吸收率仅为50％-60％)，而硅纳米针尖阵列对激光的反射率低于10％，因此90％以上的激光能够被Si片吸收，即在相同的激光功率下，本发明基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器具有更大的调制深度。
综上，本发明的发明效果在于：
1.本发明提出基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器具有极低的插入损耗，太赫兹透射达到95％以上，插损低至0.23dB，远优于半导体Si和其他的太赫兹波调制器件。
2.本发明提出基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器具有较好的激光吸收特性，吸收率能够达到80％以上，因此在同样激光功率下，器件相对于高阻Si片具有更大的调制深度。
3.本发明提出基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器结构简单，制备工艺简单，制备成本低，可制成大尺寸器件，且与CMOS工艺兼容，适合于大规模工业化生产。
附图说明
图1是本发明基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器的结构示意图，其中，1为硅基底层、2为硅纳米针尖阵列、3为半导体激光器、4为光纤、5为光纤调制器、6为调制激光、7为太赫兹波源、8为太赫兹波束、9为太赫兹波探测器。
图2是本发明实施例中硅纳米针尖阵列的扫描电子显微镜(SEM)断面图。
图3是本发明实施例中不同长度硅纳米针样品的紫外-可见-红外光谱测试曲线，其中以BaSO4的反射曲线作为参考。
图4是本发明实施例中所使用的高阻Si片的TDS谱随泵浦激光功率变化曲线。
图5是本发明制备各长度纳米针的太赫兹调制器的TDS谱随泵浦激光功率变化曲线。
图6是在340GHz载波下，高阻Si调制器与本实施例制备基于硅纳米针光控太赫兹波调制器(不同长度纳米针)的太赫兹波透射率随泵浦激光功率的变化曲线。
图7是高阻Si调制器与本实施例制备基于硅纳米针光控太赫兹波调制器(不同长度纳米针)的太赫兹波调制深度随泵浦激光功率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例中提供基于硅纳米针的光控太赫兹波调制器，其结构如图2所示，包括半导体激光器3、光纤4、光纤调制器5及太赫兹幅度调制结构，所述半导体激光器3产生的激光通过光纤4耦合进入光纤调制器5；所述太赫兹幅度调制结构由硅基底层1及其表面的硅纳米针尖阵列2构成，所述光纤调制器输出调制激光6入射到硅纳米针尖阵列表面；从而对太赫兹波源7所产生的太赫兹波束8产生透射调制作用，并被太赫兹波探测9所接收。
下面以长度为2.5μm的硅纳米针尖阵列说明上述调制器的制备和测试过程：
步骤一：硅纳米针尖阵列制备过程：首先将高阻/本征硅片先后用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗10分钟，用氮气吹干；随后，将硅片放入事先调配好的AgNO3/HF溶液中浸泡60min，使Ag纳米颗粒均匀覆在硅片表面，放入HF/H2O2混合溶液中进行反应，通过控制反应时间获得相应长度的硅纳米针；最后用去离子水和BOE溶液(体积之比为6:1的HF(40％)与NH3F(49％))去除表面多余金属离子，用氮气吹干，即在Si片表面合成了致密排列的Si纳米针阵列，如图2所示。
步骤二：太赫兹时域光谱(TDS)测试：
1.打开太赫兹时域光谱(TDS)测试设备及其操作软件，并等待设备的TDS峰峰值示数稳定；
2.调节太赫兹发射器的位置，将其对准事先准备好的样品架，并保存此时的TDS数据(空气的TDS谱)作为参考数据；
3.将需要测试的硅纳米针太赫兹波调制器样品置于样品架上，并将泵浦激光激光器对准样品(波长设定为915nm)；
4.按照预先设定好的数值变换激光器功率，并分别保存下在各激光功率下的太赫兹时域光谱信号，通过傅里叶转换获得频率光谱和太赫兹波透射谱，并利用Origin等数据处理软件绘制成测试图。
步骤三：太赫兹连续波收发系统测试：
1.按照原理图搭建太赫兹连续波收发系统，系统包括：光学平台，VDI的340G太赫兹连续源，VDI的WR2.8检波器，样品架，激光器，函数发生器，稳压电压源，示波器；
2.测试过程：首先调节340G太赫兹源，样品架和检波器在同一直线上，并调节他们之间的距离使得太赫兹波穿过样品架后获得尽量大的辐射强度，记录此时示波器的最大幅度值作为参考值；接着将纳米针太赫兹波调制器置于样品架上，记录此时示波器显示的最大幅度值。再将泵浦激光以大约15度角入射到调制器表面；按照预先设定好的程序从低到高增加泵浦激光功率，分别记录下每一个功率照射时示波器显示的最大幅度示数；最后分析处理所得数据，用Origin数据处理软件绘制出所需测试图。
图3所示为本实施例所使用的高阻Si片与本实施例制备的硅纳米针样品(不同长度纳米针)的紫外-可见-红外光谱测试曲线(以BaSO4为全反射参考)。从图中可以看出硅纳米针调制器的激光反射率低于高阻Si片的激光反射率，激光波长在约1050nm以下时硅纳米针样品对激光的反射率均低于20％，有明显的降低激光反射的作用，而激光并不能穿透高阻Si和硅纳米针样品，被减小的这一部分反射只能是被硅纳米针结构吸收了，那么硅纳米针对于激光的吸收就可以达到80％以上；可见，硅纳米针尖阵列结构相对于高阻Si片有明显的增强激光吸收的作用。
图4所示为与本实施例同一批次的高阻Si片在泵浦激光波长设定为915nm时，分别在300mW、600mW、900mW功率照射下所得的TDS谱，从图中可以看出，高阻Si片和空气的TDS谱相比有一定的相位延迟，随着激光功率的增大硅片的TDS谱幅度减小，当激光功率达到900mW时，TDS谱的幅度的减小已经比较明显，光控高阻Si片对太赫兹波幅度有一定的调制作用。
图5所示为本实施例在泵浦激光波长设定为915nm时，分别在300mW、600mW、900mW功率下照射2.5μm纳米针长度的硅纳米针样品所得的TDS谱；同样的，从图中可以看出硅纳米针和空气的TDS谱相比有一定的相位延迟，随着激光功率的增大其TDS谱幅度减小，这种减小相比高阻Si片要更加明显，当激光功率达到900mW时，TDS谱的幅度减小已经非常明显；对比图4和图5还可以看出，纳米针尖阵列对于太赫兹波有明显的透射增强作用。
图6所示为本实施例在泵浦激光波长设定为915nm时，基于硅纳米针的光控太赫兹调制器(不同长度纳米针)与高阻Si调制器的太赫兹波透射率随泵浦激光功率的变化曲线；当激光功率为0mW(即不使用激光照射)时，2.5μm和5μm纳米针器件透射率达到85％以上，10μm器件透射率达到95％以上，这相对于透射率在65％左右的高阻Si有比较明显的增透效果；可见纳米针越长的样品在相同激光功率照射下所获得的透射率越大；随着激光功率的增加各长度的硅纳米针调制器的透射率降低，这与TDS测试结果以及调制原理相符合；相对于激光功率较大时，激光功率较小时的调制深度变化更为明显，可见该器件适用于低激光功率时的光控调制器。
图7所示为本实施例在泵浦激光波长设定为915nm时，高阻Si片和硅纳米针器件(不同长度纳米针)的太赫兹波调制深度随泵浦激光功率变化曲线；从图中可以看出当激光功率较低时(低于400mW)，2.5μm纳米针器件和5μm纳米针器件相较于同激光功率下的高阻Si片，其调制深度有一定的增加；但是当纳米针长度超过10μm时，调制深度低于高阻Si片；过长的纳米针虽然减小了器件对激光的反射，增加了器件对激光的吸收，但是也阻挡了一部分激光照射到高阻Si基底上；这会造成光生载流子数量减少，在一定程度上影响调制深度。纳米针较长的器件增透效果明显而纳米针较短的器件调制深度更大，根据实际应用需要去调整硅纳米针长度就显得尤为重要；在对透射要求高的场合可以适当增加纳米针长度，使得透射率增大到95％以上；在对调制深度要求高的场合可以使用较短且适当的纳米针长度的硅纳米针调制器进行调制，100-400mW/cm2的低泵浦激光功率下比硅片调制深度提高5％左右。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，包括半导体激光器、光纤、光纤调制器及太赫兹幅度调制结构，所述半导体激光器产生的激光通过光纤耦合进入光纤调制器；其特征在于，所述太赫兹幅度调制结构是由硅基底层及其表面的硅纳米针尖阵列构成的双层结构，所述光纤调制器输出调制泵浦激光入射到硅纳米针尖阵列表面。
2.按权利要求1所述基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述的硅纳米针阵列为上细下粗的垂直针状结构阵列，每一根纳米针的直径≤100nm、高度为1μm～20μm。
3.按权利要求1所述基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述的硅基底层采用是高阻硅或者本征硅，其电阻率≥1000Ω·cm，厚度为100μm以上。
4.按权利要求1所述基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述半导体激光器的输出波长为300nm～1000nm，激光强度为300mW以上。
5.按权利要求1所述基于硅纳米针的光控太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述光控太赫兹幅度调制器具备太赫兹波增透效果，太赫兹波透射达到95％，器件总插损低于0.23dB。
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