CN112747820B - 一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、渐变耦合输入波导、线缺陷传输波导、多个L3型光子微腔，以及多个太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板由若干晶体单元组成，每个晶体单元上晶格周期排列形成三角晶格结构，不同的晶体单元上水平晶格常数不同，而垂直晶格常数相同，以此保持晶体单元分块的水平拼接对应；每个晶体单元上设置一个L3型光子微腔，每个L3型光子微腔上设置一个太赫兹探测器，各个晶体单元通过线缺陷传输波导连接，二维光子晶体平板通过渐变耦合输入波导与外接输入波导连接。本发明能够同时检测多个频段的太赫兹信号。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测技术，具体涉及一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹频谱通常是指0.1THz到10THz之间的频谱区域，对应波长在30-3000μm，它的特殊光谱位置决定其在生物成像和高速无线通信具有不可取代的应用。太赫兹探测器作为太赫兹探测领域必不可少的器件，如何制作结构简单、易于集成的探测器仍然是太赫兹领域亟待解决的问题。相较于介质中的电子，太赫兹光波难以限制和存储，而且速度很难操控。而光子晶体有望解决这一问题，可以让人们操纵介质中的光波。光子晶体是一种介电常数随空间位置周期变化的新型功能材料，其最基本的特征就是具有光子带隙，落入该带隙内的光子无法传播。光子晶体的应用就依赖于加入缺陷来干扰周期性，从而引入局域光子模，为后续的太赫兹探测奠定基础。
更重要的是，由于微纳加工手段与太赫兹科学与技术的发展，集成光子晶体的太赫兹探测器有望解决太赫兹通信技术中的多频谱功能和太赫兹信号处理的功能的技术难题。由于光子晶体自身特点，其设计一般只有单一频率的滤波模块，无法实现多个频段耦合滤波；多个耦合滤波模块通过拼接组合在同一块光子晶体平板上通常会因为晶格失配而丧失其之前的各频段耦合谐振和滤波的功能。尤其在太赫兹波段，入射太赫兹信号的波长通常在100微米以上，光子晶体波导的尺寸相比于光波段要大得多，太赫兹波在传播过程中存在很大的衰减，大大减少了探测器耦合的能量，从而降低了探测器的灵敏度。因此实现衰减小，同时具有多个耦合谐振与滤波功能的片上波导型太赫兹探测器是太赫兹探测技术领域科学家梦寐以求的目标。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有多频段耦合谐振、线性滤波功能的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、渐变耦合输入波导、线缺陷传输波导、多个L3型光子微腔，以及多个太赫兹探测器，其中：
二维光子晶体平板由若干晶体单元组成，每个晶体单元上晶格周期排列形成三角晶格结构，不同的晶体单元上水平晶格常数不同，而垂直晶格常数相同，以此保持晶体单元分块的水平拼接对应；
每个晶体单元上设置一个L3型光子微腔，每个L3型光子微腔上设置一个太赫兹探测器，各个晶体单元通过线缺陷传输波导连接，二维光子晶体平板通过渐变耦合输入波导与外接输入波导连接。
进一步的，所述二维光子晶体平板通过在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，各晶体单元上圆形空气通孔的半径相同。
进一步的，所述二维光子晶体平板上晶体单元的水平晶格常数从左到右依次递减或者递增，实现太赫兹信号的线性滤波和探测。
进一步的，所述二维光子晶体平板上晶体单元的水平晶格常数、垂直晶格常数与谐振频率有关，具体确定方法为：
首先根据多频段的中心频率ωc，结合
计算与目标中心频段波长λ对应的晶格常数a，并通过CST仿真调整，其中a是通常意义的晶格常数，由此得到三角周期排列的晶体结构，在二维坐标下水平晶格常数ax和垂直晶格常数ay为ax＝a,
λ是中心频段波长；
然后在中心频段波长λ周围，调节谐振波长λn找到对应晶体单元的水平晶格常数axn，即保持
不变，调节axn大小，axn由
得到，其中λn是要调节的目标波长，axn是对应调节的水平晶格常数。
进一步的，所述渐变耦合输入波导和输入波导的端口大小一致。
进一步的，所述线缺陷传输波导是在光子晶体平板的水平方向上移除一行晶格形成，线缺陷传输波导上下两侧至少需要5层晶格包裹。
进一步的，所述L3型光子微腔是在线缺陷传输波导上方的区域移除同一行相邻的三个晶格形成微腔结构，同时，将微腔两端的晶格向外偏移0.2倍的水平晶格常数形成，每个光子微腔周围至少需要5层空气通孔包裹。
进一步的，所述L3型光子微腔位于同一行。
进一步的，所述太赫兹探测器包括微测热辐射计、场效应管、热释电二极管和肖特基二极管。
一种太赫兹探测方法，基于任一项所述的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器对TE模式的太赫兹信号进行探测。
本发明实现太赫兹信号探测的技术原理：基于光子晶体的带隙理论，通过引入点缺陷实现局域选频功能，使得太赫兹波中满足谐振频率的波段从传输波导耦合至对应的微腔，被点缺陷限制并谐振增强，从而实现了位于微腔中心处的探测器的滤波和增强探测。由于二维光子晶体的分块区域设计，每个微腔的谐振频率不同，把多个微腔单元和探测器进行集成，就可以同时检测多个频段的太赫兹信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)把太赫兹探测器集成制备到每个二维光子晶体微腔单元中心，实现了具有线性滤波和多波段谐振的片上波导型太赫兹探测器。2)把二维光子晶体波导的分块区域设计在同一块硅光子晶体波导上，并级联光子晶体微腔，能够实现对太赫兹信号的片上操控，有望成为太赫兹通信系统中的关键核心部件。3)太赫兹探测器和光子晶体波导都在同一个高阻硅基底上制备，制备工艺兼容性好，相比于太赫兹信号空间直接耦合，传输损耗小，提高了太赫兹信号耦合效率。
附图说明
图1是本发明集成硅光子晶体太赫兹探测器的平面结构示意图；
图2是二维光子晶体的三角晶格TE模式的能带图；
图3是本发明实施例的模型的具体参数示意图；
图4是本发明实例中L3型微腔的中心场强与频率的分布图；
图5是本发明实例中频率为f1时，第1个微腔产生谐振的稳态电场分布图；
图6是本发明实例中频率为f2时，第2个微腔产生谐振的稳态电场分布图；
图7是本发明实例中频率为f3时，第3个微腔产生谐振的稳态电场分布图；
图8是本发明二维光子晶体分块区域拼接而成的多微腔谐振结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板1、渐变耦合输入波导2、线缺陷传输波导3以及L3型光子微腔，其中，太赫兹探测器集成制备在每个谐振腔中心。耦合至渐变波导2的太赫兹波通过二维光子晶体平板1上的线缺陷传输波导3进行传输，在特定频率发生谐振的太赫兹波能量被局域在L3型光子微腔中，最终被太赫兹探测器吸收。
所述二维光子晶体平板1是在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，气孔半径r在每个分块区域保持一致，通过控制光子晶体结构参数和拓展光子晶体平板1长度，在一块光子晶体平板1上同时排列集成多个区域，可实现多频段耦合滤波和谐振探测功能，当太赫兹波通过渐变耦合输入波导2传输到线缺陷波导3时，只有符合谐振频率的太赫兹波才能耦合到上述L3型光子微腔。集成过程中，二维光子晶体在垂直方向上晶格周期排列相同，以此保持分块区域的水平拼接对应；而在水平方向上晶格周期随分块区域从左到右依次递减或者递增，由此实现分块区域的谐振频率相应地递增或者递减。所述渐变耦合输入波导2和输入波导的端口大小一致，以减少因阻抗失配导致的传输损耗。例如将渐变耦合波导2与标准WR2.2波导进行连接。线缺陷传输波导上下两侧至少需要5层晶格包裹。
所述线缺陷传输波导3是在光子晶体平板的水平方向上移除一行空气通孔形成，在每个分块区域宽度保持一致。
所述L3型光子微腔，如L3型光子微腔4-6是在线缺陷传输波导上方的对应分块区域中间，移除同一行相邻的三个空气通孔，同时所有光子微腔两端的空气通孔再向外偏移0.2倍的水平晶格常数。每个光子微腔周围至少需要5层空气通孔包裹，与下方传输波导间隔5个空气通孔
所述太赫兹探测器可以是微测热辐射计、场效应管、热释电和肖特基二极管等利用微纳加工手段制备的电场型探测器。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真计算。
本实施例提供一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，如图1所示，包括二维光子晶体平板1、渐变耦合输入波导2、线缺陷传输波导3，3个L3型光子微腔4、5、6，以及3个集成在L3型光子微腔中心的太赫兹探测器。为了确定二维硅光子晶体波导的结构参数，采用光子晶体的带隙理论进行设计，设计方法步骤和结果分析如下：
1)计算光子晶体的能带结构
从Maxwell方程组出发，用平面波展开法(PWM)推导出电磁波在光子晶体的本证方程。在二维情况下，假设该结构在xy方向上具有周期性，沿着z方向是同性的，可以推导出TE模式和TM模式下的本征方程组为：
TE：
TM：
其中，hZ(k+G)是TE波的磁场强度在倒空间展开的傅里叶系数，∈Z(k+G)是TM波的电场强度在倒空间展开的傅里叶系数，k为空间波矢量，f是介质的周期性函数，G是周期介质函数映射到倒空间的位置矢量。本实例着重讨论三角晶格，在晶体板的几何结构和介质参数确定的情况下得到对应的能带图，步骤如下：首先输入本实施例的介质介电常数、几何参数，晶格常数与半径的比值(如r＝0.2a比值确定即可，r和a等比缩放不影响)，接着计算其倒格子空间的基矢，把实空间的晶体结构映射到倒空间得到简约布里渊区。然后令波矢k沿着简约布里渊区边界扫描一周，不同的k值得到不同的本征矩阵和本征值，也就得到了k-w的色散关系，即光子晶体的能带结构。在TM偏振模式下没有出现带隙，因此本发明设计的光子晶体仅讨论TE偏振模式下的谐振特性。完整三角晶格光子晶体的TE模式下的能带如图2所示，横坐标是波矢空间，Γ、M、K是第一布里渊区的高对称点，它们形成的三角形称为简约布里渊区，Γ-M-K-Γ所围成的三角形表示波矢k的方向，阴影部分为光子带隙，在该频率的信号不能传播。光子晶体能带具有无标度性，在讨论光子晶体能带结构时常用归一化频率
作为单位，其中ω为电磁波频率，a为光子晶体晶格常数，c为光在真空中的传播速度。
2)对光子晶体的结构参数进行逆向推算
需要指出，正是由于光子晶体能带的无标度性这一特点，才能根据能带结构，反过来对光子晶体的结构参数进行逆向推算。也就是说两个光子晶体如果其余参数都相同，只是尺寸不同，那么他们具有相同的光子能带结构，仅仅是带隙的波长范围不同。能带结构的归一化频率可表示为
其中a是晶格常数，λ是带隙波长。可以结合能带图的带隙ωc值和公式
求出目标频率下对应的晶格常数。比如目标频段为0.4THz左右，选择图2中较宽的阴影部分作为禁带(容易实现带隙)，ωc大概在0.22附近，根据带隙图确定晶格常数为165μm。需要指出的是，能带理论只能找到一个目标晶格常数的范围，精确的参数需要通过CST仿真确定，禁带中心频率在0.4THz时对应的实际晶格参数是180μm。
3)多频段的耦合滤波
上述步骤确定了单一目标频段下的晶格常数，本发明旨在实现多频段的耦合滤波，于是在同一块光子晶体平板进行了分区域设计，在每个区域引入不同的晶格参数，理论上每个区域可以实现对应频段的耦合滤波。另外，调整晶格常数一般都是在水平和垂直两个方向的等比例变化，而后续只改变水平晶格常数。具体结构设计如下：
1首先确定多频段的中心频率对应的晶格尺寸。结合
和上述绘制的能带图，由目标中心频段的波长计算晶格常数a，这个a是通常意义的晶格常数，由此得到三角周期排列的晶体结构，在二维坐标下可表示ax＝a,
2然后在中心频段λ周围，调节谐振波长λn找到对应的水平晶格常数axn。即保持
不变，调节axn大小，axn可由
近似得到，其中λn是要调节的目标波长，axn是对应调节的水平晶格常数，axn的变化在a的周围，不应该偏离很大，否则
近似关系不再成立。进一步优选的，为了实现整体的线性耦合共振，分块区域的水平晶格常数axn依照线性增加或减少。
4)耦合滤波模块连接
设计一个线缺陷传输波导把分块区域连接起来，这样就通过一个信号通道把所有的耦合滤波模块连接起来。为了实现分块区域的水平拼接对应，改变水平方向的晶格参数ax，但是在垂直方向上ay保持一致。
5)渐变处理
为了将波导信号有效耦合进光子晶体平板，做了一个渐变处理，增大波导与渐变输入波导的耦合效率。
经过上述步骤，本发明实施例的具体结构参数如图3所示，水平晶格常数为ax1＝189μm、ax2＝180μm、ax3＝171μm(分块区域的水平晶格常数的间隔距离可以根据线性滤波要求调整)，垂直晶格常数ay＝320μm。其中，垂直晶格常数是
水平晶格常数是依据调节的目标波长，近似作
处理得到。输入波导端口选用国际标准波导端口WR2.2，介质板的厚度h＝150μm(厚度选择没有明确值，本实施例根据工艺水平和耦合效率折衷)，可以嵌入WR2.2波导端口。根据光子晶体的局域选频作用，输入的TE的太赫兹波只有符合谐振频率才能耦合进入对应的谐振腔，并产生共振增强。
采用电磁仿真软件CST计算得到本实施例中三个微腔的谐振特性。图4是光子晶体波段中微腔的中心处电场随频率变化的关系图，纵坐标与横坐标均为线性表示。图中三个谐振峰的位置分别为f1＝386GHz、f2＝396GHz、f3＝409GHz，它们的半高全宽分别为0.49391GHz、0.47739GHz、0.48932GHz，结合谐振频率计算出Q值分别为781.7、831.2和836.2，从Q值可以看出本发明具有良好的谐振选频性能和线性滤波功能，同时可以局域电场，提高探测器的耦合效率。
为进一步说明本实施例的硅光子晶体波导的电场局域特性，用电磁仿真软件CST分析计算了该硅光子晶体波导的在不同谐振频率下的电场分布。图5、6、7是该波导结构分别在f1＝386GHz、f2＝396GHz、f3＝409GHz发生谐振增强时的稳态电场分布图。由图中场强分布对比可知，谐振时绝大多数能量存在于光子微腔中，少量存在于传输波导中，其他位置几乎没有能量耗散，因此太赫兹波被很好被束缚在二维光子晶体缺陷处。进一步验证和说明了本发明提出的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器具有较好的谐振滤波性能和提高波导中太赫兹探测器中的电场，同时在一块波导芯片上通过三个光子晶体微腔的级联实现了对三个频段的太赫兹波的高灵敏度探测和操控。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，其特征在于，包括二维光子晶体平板(1)、渐变耦合输入波导(2)、线缺陷传输波导(3)、多个L3型光子微腔，以及多个太赫兹探测器，其中：
二维光子晶体平板(1)由若干晶体单元组成，每个晶体单元上晶格周期排列形成三角晶格结构，不同的晶体单元上水平晶格常数不同，而垂直晶格常数相同，以此保持晶体单元分块的水平拼接对应；
每个晶体单元上设置一个L3型光子微腔，每个L3型光子微腔上设置一个太赫兹探测器，各个晶体单元通过线缺陷传输波导(3)连接，二维光子晶体平板(1)通过渐变耦合输入波导(2)与外接输入波导连接；
具体的，所述二维光子晶体平板(1)通过在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，各晶体单元上圆形空气通孔的半径相同；二维光子晶体平板(1)上晶体单元的水平晶格常数从左到右依次递减或者递增，实现太赫兹信号的线性滤波和探测；所述二维光子晶体平板(1)上晶体单元的水平晶格常数、垂直晶格常数与谐振频率有关，具体确定方法为：
首先根据多频段的中心频率ωc，结合
计算与目标中心频段波长λ对应的晶格常数a，并通过CST仿真调整，其中a是通常意义的晶格常数，由此得到三角周期排列的晶体结构，在二维坐标下水平晶格常数ax和垂直晶格常数ay为ax＝a，
λ是中心频段波长；
然后在中心频段波长λ周围，调节谐振波长λn找到对应晶体单元的水平晶格常数axn，即保持
不变，调节axn大小，axn由
得到，其中λn是要调节的目标波长，axn是对应调节的水平晶格常数；
所述线缺陷传输波导(3)是在光子晶体平板的水平方向上移除一行晶格形成，线缺陷传输波导(3)上下两侧至少需要5层晶格包裹；
所述L3型光子微腔是在线缺陷传输波导(3)上方的区域移除同一行相邻的三个晶格形成微腔结构，同时，将微腔两端的晶格向外偏移0.2倍的水平晶格常数形成，每个光子微腔周围至少需要5层空气通孔包裹。
2.根据权利要求1所述的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，其特征在于，所述渐变耦合输入波导(2)和输入波导的端口大小一致。
3.根据权利要求1所述的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，其特征在于，所述L3型光子微腔位于同一行。
4.根据权利要求1所述的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，其特征在于，所述太赫兹探测器包括微测热辐射计、场效应管、热释电二极管和肖特基二极管。
5.一种太赫兹探测方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器对TE模式的太赫兹信号进行探测。
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