CN112382858B - 一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，包括由半导体材料制成的方形的衬底层，衬底层顶部为光栅层，光栅层顶部还覆盖有一层N型掺杂硅层。衬底层的半导体材料为电阻率为0.012～0.014Ω·cm的N型掺杂硅材料。衬底层和光栅层总厚度为280～320μm。光栅层的结构周期为p＝280～340μm，光栅槽宽为w＝60～100μm，光栅深度为t2＝100～120μm。N型掺杂硅层厚度为t3＝10～40μm，N型掺杂硅电阻率为1‑10Ω·cm。本发明解决了现有技术中存在的吸收器制作复杂、稳定性较差的问题。

Description

一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器
技术领域
本发明属于太赫兹器件技术领域，具体涉及一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器。
背景技术
超材料完美吸收器由于其在等离子传感器，太阳能电池，光电探测器等领域的应用受到了广泛关注。然而现有的吸收器大多为单频或宽带吸收器，其在光谱和成像等应用领域上面临某些限制，因此更需要高性能的双频乃至多频吸收器。典型的多频吸收器大多基于金属结构层-介质层-金属底板的三层结构或多层堆叠结构，吸收器结构相对复杂，加工较为复杂。并且由于金属易被氧化，欧姆损耗较高，热稳定性较差，从而基于金属材料的吸收器在应用方面受到一定的限制。因此，迫切需要一种具有较高稳定性，结构简单，易于加工，吸收性能优异的多频段吸收器。
为了提高吸收器的感测能力，吸收器的可调性能至关重要，现有报道的吸收器大多是通过改变吸收器的几何参数从而改变其吸收性能，无法实现吸收器的动态调控。而且在实际应用中几何参数的重新配置，会大大增加实际应用中的成本，不利于吸收器在感测领域的发展。这一限制迫使人们提出一种可实现动态可调谐的吸收器，本发明提出的利用全介质实现的四频带太赫兹超材料吸收器目前尚未报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，解决了现有技术中存在的吸收器制作复杂、稳定性较差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，包括由半导体材料制成的方形的衬底层，衬底层顶部为光栅层，光栅层顶部还覆盖有一层N型掺杂硅层。
本发明的特点还在于，
衬底层的半导体材料为电阻率为0.012～0.014Ω·cm的N型掺杂硅材料。
衬底层和光栅层总厚度为280～320μm。
光栅层的结构周期为p＝280～340μm，光栅槽宽为w＝60～100μm，光栅深度为t2＝100～120μm。
N型掺杂硅层厚度为t3＝10～40μm，N型掺杂硅电阻率为1-10Ω·cm。
本发明的有益效果是，一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，在实现光调控方面，在光照强度为零时，光栅深度为t2＝100～120μm的光栅结构依旧在原共振频率处实现四频带吸收，当光照逐渐加强，对应半导体材料中不同的光激发载流子浓度，本吸收器对于太赫兹波的吸收也将发生改变。当光照强度达到3000μJ/cm2时，四个共振峰处的吸收都发生相应改变，调制深度最高为4.97。为了让所述吸收器可以达到更高的调制深度，本发明将在吸收器光栅顶部覆盖一层电阻率有所不同的N型掺杂硅。在其光栅顶部覆盖一层t3＝10～40μm厚的N型掺杂硅(掺杂硅电阻率为1～10Ω·cm)后。当光照强度为零时，光栅深度为100～120μm的光栅结构可以在0.4668THz，0.9797THz和1.8859THz处产生三个共振峰，吸收可达94.05％，97.19％和85.89％。当光照逐渐加强，本吸收器对于太赫兹波的吸收也将发生改变。当光照强度达到1800μJ/cm2时，三个共振峰处的吸收降至75.28％，
附图说明
图1是本发明在显微镜下的微观结构；
图2是本发明的四频带吸收特性；
图3为本发明的光调吸收曲线图；
图4为本发明光栅顶层覆盖N型掺杂硅的示意图；
图5为本发明顶层覆盖N型硅的光调吸收曲线图。
图中，1.衬底层，2.光栅层，3.N型掺杂硅层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，结构如图4所示，包括由半导体材料制成的方形的衬底层1，衬底层1顶部为光栅层2，光栅层2顶部还覆盖有一层N型掺杂硅层3。
衬底层1的半导体材料为电阻率为0.012～0.014Ω·cm的N型掺杂硅材料。
衬底层1和光栅层2总厚度为280～320μm。
光栅层2的结构周期为p＝280～340μm，光栅槽宽为w＝60～100μm，光栅深度为t2＝100～120μm。
N型掺杂硅层3厚度为t3＝10～40μm，N型掺杂硅电阻率为1-10Ω·cm。
图1为本发明所述吸收器的吸收曲线，由图2数据可以得出：本发明可以在0.4921THz，1.0533THz，1.7218THz和2.0354THz处实现四频吸收，吸收率分别为91.79％，95.95％，97.89％和98.03％，Q值分别为：2.25，11.74，11.07和12.64。
图2为本发明的光调吸收曲线图。参照图2可知，在光照条件下，本发明的吸收性能发生了一定的改变。在光照强度为零时，吸收器在0.4921THz，1.0533THz，1.7218THz和2.0354THz处产生四处共振，吸收率均大于90％，随着光照逐渐加强，吸收率发生改变，当光照强度为3000μJ/cm2时，调制深度分别可达4.97，0.67，0.69和0.39。
图3为本发明光栅顶层覆盖N型掺杂硅的示意图，参照图4可知，为了在光照条件下实现更高的调制深度，在光栅顶部覆盖了一层t3＝10～40μm厚的N型掺杂硅，该N型掺杂硅电阻率为1～10Ω·cm。
图5为本发明顶层覆盖一层t3＝10～40μm厚的N型掺杂硅所实现的光调吸收曲线图，当光照强度为零时，吸收器可以在0.4668THz，0.9797THz和1.8859THz处产生三个共振峰，吸收可达94.05％，97.19％和85.89％。当光照逐渐加强至1800μJ/cm2时，三个共振峰处的吸收降至75.28％，34％和38.34％，调制深度分别约为11.08％，48.16％和38.27％，最终实现了更高调制深度的光调控。
本发明由底部的正方形衬底以及顶层的一维光栅构成。衬底及一维光栅结构均由重掺杂的N型掺杂硅制备，电阻率在0.012～0.014Ω·cm。吸收器整体厚度为t1＝280～320μm，结构周期为p＝280～340μm，光栅槽宽为w＝60～100μm，光栅高度为t2＝100～120μm。工作时，太赫兹波入射到吸收器表面，激发了表面等离激元和法布里-珀罗共振，从而在0.2～2.5THz处产生四频段吸收。吸收最高可达99.99％，最低吸收高于90％，Q值最高达12.64，具有多频段，吸收率高，高Q值等特点。本吸收器有效提高了全介质吸收器对太赫兹波的吸收率，实现了四频段吸收，具有制造成本低，加工工艺成熟，效率高的优势。同时该吸收器可以实现光调控，在不同功率的光照下实现吸收的调谐特性。

Claims (2)

1.一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，包括由半导体材料制成的方形的衬底层(1)，衬底层(1)顶部为光栅层(2)，光栅层(2)为周期长槽形结构，所述光栅层(2)的结构周期为p＝280～340μm，光栅槽宽为w＝60～100μm，光栅深度为t2＝100～120μm，光栅层(2)顶部还覆盖有一层N型掺杂硅层(3)，所述衬底层(1)的半导体材料为电阻率为0.012～0.014Ω·cm的N型掺杂硅材料，所述N型掺杂硅层(3)厚度为t3＝10～40μm，N型掺杂硅电阻率为1-10Ω·cm。
2.根据权利要求1所述的一种基于全介质材料的光可调四频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述衬底层(1)和光栅层(2)总厚度为280～320μm。
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