CN105737975A - 基于mim高灵敏度spp太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，它由一个矩形腔、一个太赫兹波吸收腔、银块、一个竖直波导、一个水平波导、三个金属模、一个太赫兹探测光、一个水平参考光和一个光电探测器组成；所述矩形腔位于太赫兹探测波的输入端；所述太赫兹波吸收腔和竖直波导相连接；所述银块设置于竖直波导内，可以移动；所述竖直波导和水平波导相连接；所述太赫兹探测光位于矩形腔的上端。本发明结构紧凑，体积小，灵敏度高，便于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度，纳米尺度的太赫兹波探测器，尤其涉及一种基于导体-绝缘体-导体(MIM)的高灵敏度SPP太赫兹波探测器。
背景技术
近年来，人们对电磁波谱之中各个波段的研究都有了长足的进展，而唯独在太赫兹波段(0.1THz-10THz)，人们的研究还欠缺。太赫兹波充满着我们日常生活的空间，然而高效、微型太赫兹波探测器和太赫兹源等技术难题是造成这部分波段研究和很少利用的主要原因。
基于表面等离子激元的波导却能突破衍射极限的限制，实现纳米尺度的光信息处理和传输。表面等离子激元是当电磁波入射到金属与介质分界面时，电磁波和金属表面的自由电子耦合形成的一种在金属表面传播的表面电磁波。根据表面等离子激元的性质，人们已经提出了很多基于表面等离子体结构的器件，例如滤波器、环形器、逻辑门、光开关等。这些器件在结构上都比较简单，非常便于光路集成。
目前在太赫兹波探测器的研究上已经取得进展，如热效应探测器、热敏电阻探测器、液氦冷却Si或者Ge热辐射测量仪、超导混频技术以及利用声子和电子散射冷却机制发展起来的热电子辐射计，这些技术可以对太赫兹波进行强度探测。利用频率基于远红外和微波之间的相干电磁脉冲作为探测源，再用光电导取样或自由空间的电光取样方法直接记录太赫兹辐射电场的振幅时间波形的太赫兹时域光谱技术既可以测得太赫兹波的振幅也可以得到相位信息。虽然这些技术各有所长，但是体积都过大，对工作环境的要求相当苛刻，价格昂贵，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种便于集成的MIM结构的高灵敏度SPP太赫兹探测器。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器由一个矩形腔、一个太赫兹波吸收腔、银块、一个竖直波导、一个水平波导、一个太赫兹探测光、三个金属膜、一个太赫兹探测光、一个水平信号光和一个光电探测器组成；所述矩形腔位于太赫兹探测波的输入端；所述太赫兹波吸收腔和竖直波导相连接；所述移动银块设置于竖直波导内，可以移动；所述竖直波导和水平波导相连接；所述太赫兹探测光位于矩形腔的上端。
所述太赫兹波吸收腔的形状为矩形、圆形、多边形、椭圆形、矩形与圆形的组合、矩形与多边形的组合、矩形与椭圆形的组合、圆形与多边形的组合、圆形与椭圆形的组合、多边形与椭圆形的组合或者这些形状的变形。
所述太赫兹波吸收腔内的物质为高热膨胀系数的物质；所述矩形腔内的物质为高透射率的物质。
所述高膨胀系数的物质为酒精或者水银，所述高透射率的物质为为硅、锗或者砷化镓。
所述水平波导和所述竖直波导为MIM结构的波导，其与下端的金属膜接触。
所述金属为金或银；所述绝缘体为透明物质。
所述金属为银。
所述透明物质为空气、二氧化硅或者硅。
所述信号光的工作波长为780nm，太赫兹波的波长为3μm；所述太赫兹波强度为1.2nW～4.2nW。
所述光电探测器位于水平波导的输出端口；所述光电探测器的材料为硅。
本发明的有益效果是：
(1)结构紧凑，体积小，非常便于集成；(2)灵敏度高，太赫兹探测的灵敏度达到nW量级。
附图说明
图1是本发明太赫兹探测器第一种实施方式的二维结构示意图。
图中：矩形腔1太赫兹波吸收腔2银块3竖直波导4水平波导5金属模6金属模7金属模8太赫兹探测光100水平传播的信号光200光电探测器300
图2是图1所示的三维结构示意图。
图3是本发明太赫兹探测器第二种实施方式的二维结构示意图。
图4是图1所示的三维结构示意图。
图5是信号光透过率与太赫兹波输入功率的关系图。
图6是本发明实施例1的太赫兹波输入功率为1.2nW的信号光光场分布图。
图7是本发明实施例1的太赫兹波输入功率为1.8nW的信号光光场分布图。
图8是本发明实施例1的太赫兹波输入功率为2.4nW的信号光光场分布图。
图9是本发明实施例1的太赫兹波输入功率为3.0nW的信号光光场分布图。
图10是本发明实施例1的太赫兹波输入功率为3.6nW的信号光光场分布图。
图11是本发明的实施例1的太赫兹波输入功率为4.2nW的信号光光场分布图。
图12是本发明实施例2的太赫兹波输入功率为1.2nW的信号光光场分布图。
图13是本发明实施例2的太赫兹波输入功率为1.8nW的信号光光场分布图。
图14是本发明的实施例2的太赫兹波输入功率为2.4nW的信号光光场分布图。
图15是本发明实施例2的太赫兹波输入功率为3.0nW的信号光光场分布图。
图16是本发明实施例2的太赫兹波输入功率为3.6nW的信号光光场分布图。
图17是本发明实施例2的太赫兹波输入功率为4.2nW的信号光光场分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述：
如图1和2所示(图2中省略了结构上面的封装介质)，MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器是由一个矩形腔1，一个太赫兹波吸收腔2，银块3，一个竖直波导4，一个水平波导5，金属膜6、7、8，一个太赫兹探测光100，一个水平传播的信号光200(表面等离子激元SPP)和一个光电探测器300组成；矩形腔1位于太赫兹探测波的输入端，宽度l为175nm，其范围为150nm-500nm，矩形腔1内的物质为高透射率的物质，高透射率的物质为硅、锗或者砷化镓，高透射率的物质采用硅；太赫兹波吸收腔2和竖直波导4相连接，太赫兹波吸收腔2采用圆形腔，半径为R，太赫兹波吸收腔2内的物质为对太赫兹波具有高吸收系数，且为高热膨胀系数，高膨胀系数的物质为酒精或者水银，高膨胀系数的物质采用酒精；银块3设置于竖直波导4内，且可以移动，移动银块3的长度m为125nm，其取值范围为80nm-150nm，移动银块3距离水平波导5的距离s为0nm-150nm，由移动银块3的位置确定，移动银块3往下移动使其得到水平波导5距离发生变化，信号光的透过率也随之发生变化，信号光的输出功率与输入太赫兹波的功率一一对应；竖直波导4和水平波导5相连接，水平波导5和竖直波导4为MIM结构的波导，MIM为金属-绝缘体-金属波导结构。竖直波导4位于水平波导5的上端；水平波导5内的介质为空气，其宽度d为50nm，取值范围为30nm-100nm；水平波导5的下边缘距离金属膜6边缘的距离c大于150nm；竖直波导4的宽度b为35nm，其取值范围为30nm-60nm，长度M为250nm，其取值范围为200nm以上，竖直波导4的左边缘到金属膜7左边缘的距离a为400nm，其取值范围为350nm-450nm；太赫兹探测光100位于矩形腔1的上端；光电探测器300采用硅材料，其位于水平波导5的输出端口。
通过探测波来加热太赫兹波吸收腔2内的酒精，使其膨胀推动移动银块3向水平波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，从而改变信号光的透射率，最终将太赫兹波的强度信息传递给信号光。信号光为780nm，太赫兹波波长为3μm，太赫兹波方向平行于垂直波导轴且垂直于水平波导轴，或平行于水平波导轴且垂直于垂直波导轴，或垂直于垂直波导轴且垂直于水平波导轴。根据硅光探测器300测得信号光的光强可以得到信号光的透过率，再根据透过率和探测光强度之间的关系即可得到探测光的光强。当太赫兹波不在通入吸收腔2时，在外界大气压的作用下，移动银块3又将回到初始压力平衡的位置，方便下一次探测。
太赫兹波吸收腔2内的酒精对太赫兹波吸收遵循Beer-lambert定律，吸收系数的定义如下：强度为I0、频率为μ的单色激光，通过长度为l的吸收介质后，在出射端的光强为I，
I＝I0e-κl
则κ就定义为吸收系数，公式可以看出酒精溶液对太赫兹波能量的吸收量与光在酒精介质中的长度有关，为了使太赫兹波的能量尽可能被酒精吸收，就必须增加波在酒精内的照射距离，最终确定太赫兹波的入射端在矩形腔1的上端。当太赫兹波入射到酒精区域，酒精吸收太赫兹波的能量，温度升高体积变大，然后推动移动银块3移动，从而改变信号光的透过率。
酒精的比热容是C＝2.4×103J/kg·℃，体积膨胀系数为αethanol＝1.1×10-3/℃，在室温(20℃)时密度为ρ≤0.789g/cm3。银的线膨胀系数为αAg＝19.5×10-6/℃，相比于酒精的膨胀系数，在相同温度变化下，银的膨胀可以忽略不计。
如图3和4所示(图4中省略了结构上面的封装介质)，MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器是由一个矩形腔1，一个太赫兹波吸收腔2，银块3，一个竖直波导4，一个水平波导5，金属膜6、7、8，一个太赫兹探测光100，一个水平传播的信号光200(表面等离子激元SPP)和一个光电探测器300组成；矩形腔1位于太赫兹探测波的输入端，宽度l为175nm，其范围为150nm-500nm，矩形腔1内的物质为高透射率的物质，高透射率的物质为硅、锗或者砷化镓，高透射率的物质采用硅。太赫兹波吸收腔2和竖直波导4相连接，太赫兹吸收腔2采用正六边形腔，其边长为r，太赫兹吸收腔2的截面积为502655nm2，太赫兹波吸收腔2内的物质为对太赫兹波具有高吸收系数，且为高热膨胀系数的物质，高膨胀系数的物质为酒精或者水银，高膨胀系数的物质采用酒精；银块3设置于竖直波导4内，且可以移动，移动银块3的长度m为125nm，其取值范围为80nm-150nm，移动银块3距离水平波导5的距离s为0nm-150nm，由移动银块3的位置确定；移动银块3往下移动使其得到水平波导5距离发生变化，信号光的透过率也随之发生变化，信号光的输出功率与输入太赫兹波的功率一一对应。竖直波导4和水平波导5相连接，水平波导5和竖直波导4为MIM结构的波导，MIM为金属-绝缘体-金属波导结构。竖直波导4位于水平波导5的上端；水平波导5内的介质为空气，其宽度d为50nm，取值范围为30nm-100nm；水平波导5的下边缘距离金属膜6边缘的距离c大于150nm；竖直波导4的宽度b为35nm，其取值范围为30nm-60nm，长度M为250nm，其取值范围为200nm以上，竖直波导4的左边缘到金属膜7左边缘的距离a为400nm，其取值范围为350nm-450nm；太赫兹探测光100位于矩形腔1的上端；光电探测器300采用硅材料，其位于水平波导5的输出端口。
通过探测波来加热太赫兹波吸收腔2内的酒精，使其膨胀推动移动银块3向水平波导5移动来改变竖直波导4内空气段的长度，从而改变信号光的透射率，最终将太赫兹波的强度信息传递给信号光；信号光为780nm，太赫兹波波长为3μm，太赫兹波方向平行于垂直波导轴且垂直于水平波导轴，或平行于水平波导轴且垂直于垂直波导轴，或垂直于垂直波导轴且垂直于水平波导轴。根据硅光探测器300测得信号光的光强可以得到信号光的透过率，再根据透过率和探测光强度之间的关系即可得到探测光的光强。当太赫兹波不在通入吸收腔2时，在外界大气压的作用下，移动银块3又将回到初始压力平衡的位置，方便下一次探测。根据酒精的参数以及结构的参数可以仿真计算出信号光透过率与太赫兹波输入功率之间的关系图，如图5所示，设定太赫兹波入射到吸收腔内的时间为1ms，即太赫兹波对吸收腔2内的物质加热时间为1ms，对于吸收腔2的形状为圆形腔和多边形腔而言，由于太赫兹波在吸收腔2内会多次反射，所以酒精对其的吸收设为完全吸收。根据硅光探测器300伏安特性即可得到信号光的强度，再结合信号光的输出强度和太赫兹波强度的关系曲线，最终可得出太赫兹波的强度。太赫兹探测器在吸收腔2吸收太赫兹光的时间为1ms时，探测太赫兹波的强度范围为0.6nW-6nW；太赫兹探测器在改变吸收腔2内的吸收时间即可改变探测强度的范围，从而拓宽探测强度的范围。太赫兹探测器在太赫兹波吸收腔2吸收太赫兹波的时间为gms，太赫兹的探测功率范围为(0.6/g)nW-(6/g)nW，其中g为不小于1的比例系数。
实施例1
本实施例中，入射太赫兹强度为1.2nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图6所示的光场分布图。
实施例2
本实施例中，入射太赫兹强度为1.8nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图7所示的光场分布图。
实施例3
本实施例中，入射太赫兹强度为2.4nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图8所示的光场分布图。
实施例4
本实施例中，入射太赫兹强度为3.0nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图9所示的光场分布图。
实施例5
本实施例中，入射太赫兹强度为3.6nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图10所示的光场分布图。
实施例6
本实施例中，入射太赫兹强度为4.2nW。采用图1和图2结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图11所示的光场分布图。
实施例7
本实施例中，入射太赫兹强度为1.2nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图12所示的光场分布图。
实施例8
本实施例中，入射太赫兹强度为1.8nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图13所示的光场分布图。
实施例9
本实施例中，入射太赫兹强度为2.4nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图14所示的光场分布图。
实施例10
本实施例中，入射太赫兹强度为3.0nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图15所示的光场分布图。
实施例11
本实施例中，入射太赫兹强度为3.6nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图16所示的光场分布图。
实施例12
本实施例中，入射太赫兹强度为4.2nW。采用图3和图4结构，利用二维结构数值验证，数值模拟可得到如图17所示的光场分布图。
以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看作是对本发明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的人是显而易见的。
Claims (10)
1.一种基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：它由一个矩形腔、一个太赫兹波吸收腔、银块、一个竖直波导、一个水平波导、三个金属膜、一个太赫兹探测光、一个水平参考光和一个光电探测器组成；所述矩形腔位于太赫兹探测波的输入端；所述太赫兹波吸收腔和竖直波导相连接；所述银块设置于竖直波导内，可以移动；所述竖直波导和水平波导相连接；所述太赫兹探测光位于矩形腔的上端。
2.按照权利要求1所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述太赫兹波吸收腔的形状为矩形、圆形、多边形、椭圆形、矩形与圆形的组合、矩形与多边形的组合、矩形与椭圆形的组合、圆形与多边形的组合、圆形与椭圆形的组合、多边形与椭圆形的组合或者这些形状的变形。
3.按照权利要求1所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述太赫兹波吸收腔内的物质为高膨胀系数的物质；所述矩形腔内的物质为高透射率的物质。
4.按照权利要求3所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述高膨胀系数的物质为酒精或者水银；所述高透射率的物质为硅、锗或者砷化镓。
5.按照权利要求1所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述MIM为金属-绝缘体-金属波导结构，所述水平波导和所述竖直波导为MIM结构的波导。
6.按照权利要求6所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述金属为金或者银；所述绝缘体为透明物质。
7.按照权利要6所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述金属为银。
8.按照权利要求6所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述透明物质为空气、二氧化硅或者硅。
9.按照权利要求1所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述参考光的工作波长为780nm，所述太赫兹波的波长为3μm；所述太赫兹波强度为1.2nW～4.2nW。
10.按照权利要求1所述的基于MIM高灵敏度SPP太赫兹波探测器，其特征在于：所述光电探测器位于水平波导的输出端口；所述光电探测器的材料为硅。
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