CN107340611B - 激光热处理的硅基pva薄膜光控太赫兹波调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光热处理硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器，通过将PVA薄膜旋涂在高阻硅基底上，利用强连续激光对其进行表面热处理后，器件可在不同调制激光功率的控制下实现对太赫兹波强度的灵敏调制，调制深度随着调制光功率的提高而增大，当调制光功率密度超过2W/cm2时，调制深度达到99％以上，激光热处理时间越长，在相同调制光功率条件下达到的调制深度越高，处理时间达到120s以上时，调制深度达到饱和，本发明的工作频段为0.1‑1.6THz。

Description

激光热处理的硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器
技术领域
本发明属于太赫兹科学技术领域，具体涉及一种超灵敏宽带太赫兹波调制器。
背景技术
太赫兹(THz)波通常是指频率范围处于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)范围内的电磁波， 由于其具有一系列优异的特殊性质而在无线通信、雷达、无损检测、医学成像和安检防恐等 领域具有非常广泛的应用前景。THz功能器件，如调制器、滤波器、吸波器、偏振器和隔离 器等，是THz应用系统必不可少的组成单元，其中THz调制器件就是THz无线通信系统的关键器件，一直是研究的热点，虽然已取得了一些研究进展，然而性能优良而又加工简单的THz调制器件依然匮乏，成为制约THz技术发展的瓶颈之一。
近年来公开了一些THz调制器的技术方案和研究成果，例如一种基于人工超材料的THz 调制器，有效提高了调制深度[Chen，Hou-Tong，et al.Nature 444.7119(2006)：597-600]，一种基 于双通道异质结结构超材料的THz调制器，实现了1GHz的调制速度和85％的调制深度[Zhang， Yaxin，et al.Nano letters 15.5(2015)：3501-3506]，然而由于超材料电磁响应特性本身的特点， 这类调制器只能工作在较窄的频率范围；再如，一种基于硅基石墨烯的高速率THz调制器 [Weis，Peter，et al.ACS nano 6.10(2012)：9118-9124]，一种硅基MoS2结构的宽带THz波调制器 [Chen，Sai，et al.Nanoscale 8.8(2016)：4713-4719]，一种基于有机物/硅结构的THz波调制器 [Zhang，Bo，et al.Optics letters39.21(2014)：6110-6113]，这类调制器利用新颖二维材料，新型 结构或者有机物材料有效增强了硅表面的载流子浓度，实现了较宽的工作频带和较高的调制 深度，然而新型二维材料的加工制备依然困难，有机薄膜的掺杂和有机合成过程依然复杂， 材料和加工成本都很高，不利于实际应用。
为了解决目前THz调制器研究中存在的性能与成本问题，本发明提供了一种工作频带宽、 调制速率快、调制深度高而且结构简单、易于加工的光控宽带THz波调制器，器件只有硅基 底和不掺杂的PVA薄膜两层结构构成，可在调制激光的控制下实现对太赫兹波强度的灵敏调 制，当调制光功率密度超过2W/cm2时，调制深度达到99％以上，器件的工作带宽达到1.5THz， 加工和处理过程简单易操作。
发明内容
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：器件由硅基底和生长在其表面的PVA薄膜 共两层结构构成，其中薄膜是由聚乙烯醇(PVA)溶液通过旋涂法生长得到，成膜后，利用 高强激光对器件表面进行热处理操作；所述的基底为电阻率大于6KΩ.cm的高阻硅片；所述
本发明的工作方法是：将不同功率密度、808nm的连续激光作为调制光，随着调制光功 率的增大，器件对THz波的透过率不断降低，调制深度不断升高；利用强连续激光对其进行 表面热处理的时间越长，达到相同调制深度所需的调制光功率越低；在相同的调制光功率条 件下，强激光热处理时间越长，调制深度越高，热处理时间达到120s以后，调制深度达到饱 和。
相比于裸硅片，在相同的调制光功率条件下，PVA/Si结构可显著增强硅表面的光生载流 子浓度，从而引起载流子对THz波产生更强的吸收，而经过激光热处理以后的PVA薄膜由于 分子链段的振动和共轭双键的形成，对硅表面光生载流子浓度增长的促进作用更加强烈，达 到饱和状态时比纯硅表面光生载流子浓度高出两个数量级，进一步增强了器件对THz波的调 制作用。
本发明的积极效果是：器件只包含高阻硅基底和PVA薄膜两层结构，即可在调制光功率 密度为2W/cm2时，实现了99％以上的调制深度，比相同调制功率下裸硅片的调制深度提高 了63％以上；与现有的基于二维材料或者掺杂有机物材料的调制机制相比，本发明中PVA薄 膜的制备简单易操作，也无需复杂的掺杂处理和有机合成过程，只需利用强激光辐照处理120s 即可，材料和加工成本低；此外，器件的工作频带从0.1THz-1.6THz，带宽达到1.5THz以 上。而且需要说明的是，调制光的照射不会对器件产生影响，在调制光功率由小变大及再次 由大变小的过程中，调制器的调制特性是可逆的。
附图说明
图1是本发明的器件结构与显微照片，其中，图1(a)是本发明的器件原理图，图1(b)是 台阶仪测得的经过激光热处理(LP-PVA/Si)的PVA薄膜厚度，图1(c)是未经激光热处理器件 (PVA/Si)的显微照片，图1(d)是经过激光热处理(LP-PVA/Si)的器件的显微照片；
图2是THz透射谱的实验和模拟结果，其中，图2(a)是裸硅片(Bare Si)在不同调制光功 率密度下对THz波的透射谱，图2(b)是LP-PVA/Si在不同调制光功率密度下对THz波的透射 谱，图2(c)是利用FDTD法模拟Bare Si在不同面载流子浓度时对THz波的透射谱，图2(d) 是利用FDTD法模拟LP-PVA/Si在不同面载流子浓度时对THz波的透射谱；
图3是Bare Si和LP-PVA/Si的调制深度和面载流子浓度随调制光功率密度的变化曲线；
图4是7.25W/cm2强激光热处理不同时间时，器件在1.9W/cm2调制光下透射THz波的时域信号和调制深度；
图5是Si和LP-PVA/Si对THz波的调制波形，其中，图5(a)是Si在光功率0.55W/cm2和频率1KHz方波激光控制下对THz波的调制波形，图5(b)是LP-PVA/Si在光功率0.55W/cm2和频率1KHz方波激光控制下对THz波的调制波形，图5(c)是Si在调制功率0.55W/cm2和频率5KHz方波激光控制下对THz波的调制波形，图5(d)是LP-PVA/Si在光功率0.55W/cm2和 频率5KHz方波激光控制下对THz波的调制波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
器件的原理图和显微照片如图1所示，通过将PVA颗粒与去离子水混合，利用磁旋转子 搅拌均匀，同时在85-95℃水浴中加热至充分溶解得到PVA溶液，然后利用甩膜机将PVA 溶液高速旋涂到硅基底(1)上形成PVA薄膜(2)，甩膜机的转速最高设置为10000r/min以 保证薄膜厚度的均匀性，形成薄膜的厚度为4-5μm，基底为电阻率大于6KΩ·cm的高阻硅 片；PVA薄膜形成以后，利用808nm、7.25W/cm2的连续激光对PVA薄膜进行热处理操作，激光光斑温度为220℃。如图1(a)，入射THz波(3)的波矢垂直于器件表面，器件对THz 波的透过强度则通过调制激光(4)的功率密度进行控制；未经热处理的薄膜厚度均匀，器件 表面整体颜色相近，如图1(c)，而由于激光处理以后，薄膜的厚度沿着光斑辐照中心的径向线性变化，如图1(b)，器件的表面呈现出红绿相间的干涉条纹，如图1(d)。
利用THz时域光谱系统测量得到Si和LP-PVA/Si两种样品在不同调制光功率下对THz 波的透射谱分别如图2(a)、2(b)所示，图中可以看出，当不施加调制光时，Si和LP-PVA/Si 对THz波的透过率接近，均为70％左右，说明PVA薄膜对THz波相当于透明；将808nm的 连续激光作为调制光，随着调制光功率的增大，器件对THz波的透过率不断减小，调制深度 不断升高，如图3(a)；相比于Si，LP-PVA/Si对调制光更为敏感，在0.55W/cm2调制光功率密 度下Si的透过率为64％(1THz处)，而LP-PVA/Si的透过率降低到了40％左右(1THz处)， 在2W/cm2调制光功率密度下，LP-PVA/Si的调制深度高达99％以上，比Si的调制深度提高 了63％；器件的工作带宽从0.1THz-1.6THz。
利用Drude模型建立Si的介电常数和光生载流子浓度的关系：
其中，ε∞＝11.7，等离子体频率N为载流子浓度，弛豫时间τ＝μm*/e， 有效质量m*＝0.98me。光在Si中的作用深度为几百纳米到1μm不等，因此定义面载流子浓度 ns＝N/d来描述载流子特性，其中d为有效作用深度。利用时域有限差分法(FDTD)对器件建 立仿真模型，模型包括三层结构：PVA层，Si活性层和Si基底。PVA层厚度为4.5μm，介电常数设置为2.56，无损耗；Si基底厚度为499μm，介电常为11.7，无损耗；Si活性层厚度为 d＝1μm，其介电常数满足式(1)，计算得到两种样品在不同面载流子浓度时的透射谱如图2(c) 和2(d)所示，因此可以得到不同光功率密度与对应的光生载流子浓度的关系如图3(b)所示， 可以看到，达到饱和状态时LP-PVA/Si的载流子浓度比纯硅表面高出两个数量级，这是由于 经过激光热处理以后的PVA薄膜由于形成了共轭双键，共轭双键的导带高于Si，因此使表面 处的能带发生弯曲，使得更多的非平衡载流子向表面移动，载流子吸收的增强进一步促进了 器件对THz波的调制作用。
利用7.25W/cm2强激光热处理不同的时间，器件在1.9W/cm2调制光下透射THz波的时 域信号图4(a)所示，不同处理时间对应的调制度如图4(b)所示，热处理时间越长，调制深度 越高，在相同的调制光功率条件下，热处理时间从0增加到120s时，调制深度从30％增加到 99％，热处理时间达到120s以上时，调制深度达到饱和。
下面利用LP-PVA/Si对连续THz波进行调制实验，对本发明的实施方式做进一步说明。 试验样品为经过激光热处理150s的LP-PVA/Si，参考样品为裸硅片，采用肖特基探测器作为 THz波探测器，并通过示波器将探测到的THz波形显示出来。分别将功率密度为0.55W/cm2、 频率为1KHz和5KHz的方波激光作为调制信号，对THz波进行调制，得到调制后的THz波信号如图5(a)-(d)所示(图中示波器的刻度是一致的)，THz波在方波信号的控制下被调制为 THz方波，而且相同的光功率下，LP-PVA/Si样品对THz波的调制深度明显高于裸硅片。

Claims (6)

1.一种激光热处理的硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器，其特征是：该太赫兹波调制器由硅基底和生长在其表面的PVA薄膜共两层结构构成，其中PVA薄膜是由聚乙烯醇溶液通过旋涂法生长得到，成膜后，利用强连续激光对PVA薄膜进行热处理操作，器件可在不同调制激光功率的控制下实现对太赫兹波强度的灵敏调制，当调制光功率密度超过2W/cm2时，调制深度达到99％以上，该太赫兹波调制器的工作频段从0.1-1.6THz。
2.根据权利要求1所述的激光热处理的硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器，其特征是：所述的硅基底为电阻率大于6KΩ·cm的硅片。
3.根据权利要求1所述的激光热处理的硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器，其特征是：所述的聚乙烯醇溶液的制备是通过将聚乙烯醇颗粒与去离子水混合，利用磁旋转子搅拌均匀，同时在85-95℃水浴中加热充分溶解而得到。
4.根据权利要求1所述的激光热处理的硅基PVA薄膜光控太赫兹波调制器，其特征是：所述的PVA薄膜的制备是利用旋涂仪将聚乙烯醇溶液高速旋涂到硅基底上形成的，旋转速度为10000r/min，薄膜厚度4-5μm。
5.根据权利要求1所述的光控宽带太赫兹波调制器，其特征是：所述的PVA薄膜形成以后，采用功率密度大于7W/cm2的连续激光对其表面进行热处理，热处理的时间越长，该太赫兹波调制器的调制深度越高，处理时间达到120s以上时，调制深度达到饱和。
6.根据权利要求1至5任一项所述的光控宽带太赫兹波调制器，其特征是：采用808nm近红外调制激光对该太赫兹波调制器进行光泵浦调制，太赫兹波的调制深度随着调制激光功率密度提高而增大，当调制光功率密度超过2W/cm2时，调制深度达到99％以上；PVA/硅表面光生载流子浓度较纯硅有显著增强，达到饱和状态时比纯硅表面载流子浓度高出两个数量级。
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