CN110311290A - 一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器 - Google Patents

一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，包括蓝宝石硅片、光敏硅和金属结构。一个单元中金属结构由四组同心开口环形谐振环构成，每组同心开口环形谐振环结构中加载了光敏硅，在不同的激光功率作用下可获得不同本征模式，实现本征模式之间的切换，获得线性频率增益。本发明实例提供的基于光敏硅的多频太赫兹波频率线性转换器，结合光泵浦***，可以实现四个频率太赫兹波的有效增益，其结构简单，制作工艺成熟，在太赫兹源器件、太赫兹通信等多个领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器
技术领域
本发明涉及太赫兹通信及成像技术领域，具体涉及一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)技术在医学成像、传感检测、安检反恐、高速率无线通信等多个领域具有重大的应用前景，是国际公认的研究前沿领域。近年来，尽管太赫兹技术的研究已取得了较大的进步，然而宽频、高效的太赫兹源及频率调制器件仍旧十分匮乏，研制该类太赫兹频率调制器件成为目前太赫兹领域亟待解决的关键性问题。
线性频率转换的转换效率不依赖被转换信号的强度，相较非线性频率转换具有明显的优势，可以实现对低强度的太赫兹波的有效频率转换，并且，线性转换频率的同时还可以实现2π范围内的相位转换，有望实现高灵敏度的新型相敏器件。现有的太赫兹线性频率转换仅能实现单个频率的转换，多频转换在太赫兹源、太赫兹调制器等功能器件研究中有着重大的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的太赫兹线性频率转换仅能实现单个频率的转换的问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，利用四组开口环形谐振环，实现四个频率的线性频率转换；该器件能够应用于包含太赫兹调制器在内的多个技术领域。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，包括介质基底，还包括四组金属结构和光敏半导体，所述四组金属结构和光敏半导体均附着在所述介质基底一侧表面上，四组金属结构不交叉不重叠地分布在所述介质基底上，四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同、开口方向相同；每组金属结构包括两个形状相同而尺寸不同的金属同心谐振环，且两个谐振环之间设置有光敏半导体，且光敏半导体具有与每组金属结构相同形状、大小的开口；四组金属结构中加载的光敏半导体，在不同的激光功率作用下获得不同本征模式，实现本征模式之间的切换，获得线性频率增益。
进一步地，所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为环形谐振环；
所述金属结构包括第一组金属结构、第二组金属结构、第三组金属结构和第四组金属结构，所述第一组金属结构包括第一谐振环和第二谐振环，第一谐振环和第二谐振环之间设置有第一光敏半导体；所述第二组金属结构包括第三谐振环和第四谐振环，第三谐振环和第四谐振环之间设置有第二光敏半导体；所述第三组金属结构包括第五谐振环和第六谐振环，第五谐振环和第六谐振环之间设置有第三光敏半导体；所述第四组金属结构包括第七谐振环和第八谐振环，第七谐振环和第八谐振环之间设置有第四光敏半导体。
进一步地，所述第一谐振环、第二谐振环、第三谐振环、第四谐振环、第五开口、第六谐振环、第七谐振环和第八谐振环的宽度均为3μm，外半径分别为44.5μm、30μm、37.5μm、26.5μm、30μm、22.5μm、26.5μm、20μm；
各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同，且开口尺寸均为10μm，开口的中心对称线穿过圆心沿x轴；
四组金属结构构成的单元的边长为260μm。
进一步地，所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为方形谐振环。
进一步地，所述介质基底为蓝宝石基底，其介电常数为12.94，厚度为470μm。
进一步地，各组金属结构材质为金属金，其电导率为4.56×107S/m，厚度为200nm。
进一步地，所述光敏半导体采用光敏硅或者半掺杂GaAs光敏半导体。
所述光敏半导体采用光敏硅，作为优选方案，且光敏硅厚度为500nm，介电常数为11.9；开口尺寸为10μm，开口的中心对称线穿过圆心沿x轴；
所述光敏半导体采用光敏硅，光敏硅在光泵浦太赫兹探测***中获得100mW泵浦光的激励，所述光敏硅在无泵浦激励时电导率为25S/m，在100mW激励下电导率为5×103S/m。
所述基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器需在光泵浦太赫兹探测***(Optical pump terahertz probe，OPTP)中实现。未加泵浦激励时，光敏硅的电导率为25S/m，在100mW激励下电导率为5×103S/m；在OPTP中，泵浦光到达所述基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器时，通过调节泵浦光到达所述基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器的时刻，实现多频线性频率转换。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明可以同时或分别实现四个太赫兹信号的线性频率转换，包括将0.4THz和0.6THz线性转换至0.49THz，0.47THz和0.68THz线性转换至0.58THz，0.56THz和0.79THz线性转换至0.71THz，0.65THz和0.9THz线性转换至0.81THz；
2、本发明采用模式融合的方法实现的线性频率转换，相较传统的非线性频率转换，转换效率不依赖入射信号强度，在弱信号的频率调制方面具有明显优势；
3、本发明采用模式融合的方法实现的线性频率转换，相较采用非线性器件的非线性频率转换，在太赫兹波段损耗更小，具有明显转换效率优势；
4、本发明中金属层采用了同心开口环这一种几何构型，加工更为简单，工艺成熟，制作成本低，易于集成。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器的一个单元的主视图。
图2为本发明图1的A-A方向的剖视图。
图3为本发明的实施例中四个融合模式在不同光敏硅电导率变化时刻下的透过系数。
图4为本发明的实施例在0.00581ns时刻不同频率的透过系数。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-介质基底，2-第一谐振环，3-第一光敏半导体，4-第二谐振环，5-第三谐振环，6-第二光敏半导体，7-第四谐振环，8-第五谐振环，9-第三光敏半导体，10-第六谐振环，11-第七谐振环，12-第四光敏半导体，13-第八谐振环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1至图4所示，一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，包括介质基底1，还包括四组金属结构和光敏半导体，所述四组金属结构和光敏半导体均附着在所述介质基底1一侧表面上，四组金属结构不交叉不重叠地分布在所述介质基底1上，四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同、开口方向相同；每组金属结构包括两个形状相同而尺寸不同的金属同心谐振环，且两个谐振环之间设置有光敏半导体，且光敏半导体具有与每组金属结构相同形状、大小的开口；四组金属结构中加载的光敏半导体，在不同的激光功率作用下可获得不同本征模式，实现本征模式之间的切换，获得线性频率增益。
所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为环形谐振环；所述金属结构包括第一组金属结构、第二组金属结构、第三组金属结构和第四组金属结构，所述第一组金属结构包括第一谐振环2和第二谐振环4，第一谐振环2和第二谐振环4之间设置有第一光敏半导体3；所述第二组金属结构包括第三谐振环5和第四谐振环7，第三谐振环5和第四谐振环7之间设置有第二光敏半导体6；所述第三组金属结构包括第五谐振环8和第六谐振环10，第五谐振环8和第六谐振环10之间设置有第三光敏半导体9；所述第四组金属结构包括第七谐振环11和第八谐振环13，第七谐振环11和第八谐振环13之间设置有第四光敏半导体12。
在本实施例中，介质基底1为蓝宝石基底，其介电常数为12.94，厚度为470μm，周期长度为260μm。
所述第一谐振环2、第二谐振环4、第三谐振环5、第四谐振环7、第五谐振环8、第六谐振环10、第七谐振环11和第八谐振环13的宽度均为3μm，外半径分别为44.5μm、30μm、37.5μm、26.5μm、30μm、22.5μm、26.5μm、20μm；
各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同，且开口尺寸均为10μm；
四组金属结构构成的单元的边长为260μm；
第一光敏半导体3、第二光敏半导体6、第三光敏半导体9、第四光敏半导体12，拥有与每组金属结构相同形状、大小的开口，开口间隙均为10μm。
各组金属结构材质为金属金，其电导率为4.56×107S/m，厚度为200nm。
所述光敏半导体采用光敏硅，且光敏硅厚度为500nm，介电常数为11.9，所述光敏半导体采用光敏硅时，光敏硅在光泵浦太赫兹探测***中获得100mW泵浦光的激励，所述光敏硅在无泵浦激励时电导率为25S/m，在100mW激励下电导率为5×103S/m；可知，光敏硅电导率在0mW和100mW的泵浦光下分别为25S/m和5×103S/m。
在光泵浦太赫兹探测***中，当未施加泵浦光时，光敏硅(第一光敏半导体3、第二光敏半导体6、第三光敏半导体9、第四光敏半导体12)电导率为25S/m，太赫兹波与转换器的耦合形式以各同开口环形谐振环的谐振模式为主，共有八个谐振峰，谐振频率0.40THz、0.60THz、0.47THz、0.68THz、0.56THz、0.79THz、0.65THz、0.90THz分别对应开口环形谐振环中的第一谐振环2、第二谐振环4、第三谐振环5、第四谐振环7、第五谐振环8、第六谐振环10、第七谐振环11和第八谐振环13。
当施加100mW泵浦光时，光敏硅的电导率由25S/m提高到了5×103S/m，每对同心开口环形谐振环由原本的两个谐振模式融合为一个开口环形谐振环的耦合模式，对应的四个谐振频率分别为0.49THz、0.58THz、0.71THz、0.81THz。
在泵浦光出现的时刻，光敏硅在几个皮秒的时间内由低电导率状态变为导通时的高电导率状态，每对同心开口环形谐振环都融合成了一个开口环形谐振环，这种模式转换使得太赫兹频率发生了线性转换。在Computer simulation technology(CST)的微波仿真模块中，设置0.1ns的时域仿真，以入射信号幅值最大时刻为时间零点，通过将硅的电导率设置为时域阶跃信号来模拟泵浦光到达光敏硅的时刻，获得如图3所示的四个融合模式对应频率的太赫兹波在不同电导率突变时刻下的透射系数。
由图3可见，在0.00523ns和0.00668ns之间，四个融合模式的透射系数均大于零，出现了增益的情况，并且频率越高，透射系数的最大值越小，也越早出现。其中0.71THz处增益持续时间最久，在0.00494ns到0.00842ns范围内均实现了增益，在0.00639ns时刻透射系数达到了最大值0.518。图4是0.00581ns时刻不同频率的透射系数，四个融合频率处的透射系数分别为0.74dB、0.59dB、0.56dB、0.46dB。
因此，基于线性频率调制的太赫兹多频线性频率转换器可以对四个太赫兹频率实现有效的频率转换，该设计能够促进太赫兹收发端，以及太赫兹通信技术、成像技术的研究。
本发明实例提供的基于光敏硅的多频太赫兹波频率线性转换器，结合光泵浦***，可以实现四个频率太赫兹波的有效增益，其结构简单，制作工艺成熟，在太赫兹源器件、太赫兹通信等多个领域有着重要的应用前景。
实施例2
如图1至图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为方形谐振环；所述光敏半导体采用半掺杂GaAs光敏半导体。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，包括介质基底(1)，其特征在于：还包括四组金属结构和光敏半导体，所述四组金属结构和光敏半导体均附着在所述介质基底(1)一侧表面上，四组金属结构不交叉不重叠地分布在所述介质基底(1)上，四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同、开口方向相同；
每组金属结构包括两个形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且两个谐振环之间设置有光敏半导体，且光敏半导体具有与每组金属结构相同形状、大小的开口；
四组金属结构中加载的光敏半导体，在不同的激光功率作用下获得不同本征模式，实现本征模式之间的切换，获得线性频率增益。
2.根据权利要求1所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为环形谐振环；
所述金属结构包括第一组金属结构、第二组金属结构、第三组金属结构和第四组金属结构，所述第一组金属结构包括第一谐振环(2)和第二谐振环(4)，第一谐振环(2)和第二谐振环(4)之间设置有第一光敏半导体(3)；所述第二组金属结构包括第三谐振环(5)和第四谐振环(7)，第三谐振环(5)和第四谐振环(7)之间设置有第二光敏半导体(6)；所述第三组金属结构包括第五谐振环(8)和第六谐振环(10)，第五谐振环(8)和第六谐振环(10)之间设置有第三光敏半导体(9)；所述第四组金属结构包括第七谐振环(11)和第八谐振环(13)，第七谐振环(11)和第八谐振环(13)之间设置有第四光敏半导体(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述第一谐振环(2)、第二谐振环(4)、第三谐振环(5)、第四谐振环(7)、第五谐振环(8)、第六谐振环(10)、第七谐振环(11)和第八谐振环(13)的宽度均为3μm，外半径分别为44.5μm、30μm、37.5μm、26.5μm、30μm、22.5μm、26.5μm、20μm；
各组金属结构的同心开口谐振环的开口尺寸相同，且开口尺寸均为10μm；
四组金属结构构成的单元的边长为260μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述四组金属结构为形状相同而尺寸不同的金属同心开口谐振环，且谐振环为方形谐振环。
5.根据权利要求1所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述介质基底(1)为蓝宝石基底，其介电常数为12.94，厚度为470μm，周期长度为260μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：各组金属结构材质为金属金，其电导率为4.56×107S/m，厚度为200nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述光敏半导体采用光敏硅或者半掺杂GaAs光敏半导体。
8.根据权利要求7所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述光敏半导体采用光敏硅，且光敏硅厚度为500nm，介电常数为11.9。
9.根据权利要求8所述的一种基于光敏硅的太赫兹多频线性频率转换器，其特征在于：所述光敏半导体采用光敏硅，光敏硅在光泵浦太赫兹探测***中获得100mW泵浦光的激励，所述光敏硅在无泵浦激励时电导率为25S/m，在100mW激励下电导率为5×103S/m。
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