CN114512556B - 一种基于非对称超材料结构的光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称超材料结构的光电探测器。所述基于非对称超材料结构的光电探测器可以由一个超材料敏感单元组成，也可以由多个超材料敏感单元以阵列形式组成。超材料敏感单元由非对称电磁谐振结构与转换结构组成。工作时，电磁波与非对称电磁谐振结构耦合产生局域强磁场，通过将转换结构置于局域强磁场中，其自由载流子将会受到产生的洛伦兹力作用而发生偏转并具有定向移动分量，进而在转换结构的物理边界聚积形成直流电势差，如此便实现了高频电磁波(光)信号向直流电的转换。本发明提供的光电探测器具有结构简单、探测速度快、响应波段范围大、加工难度和制作成本低等突出优点。
Description
技术领域
本发明属于新型光电技术领域，特别涉及基于非对称结构的光电探测器。
背景技术
光信号是我们在日常生活中能够直接接受的重要信号之一，而光电转换是有效利用光信号的重要方式之一。目前，我们主要采用的是基于半导体光电效应和PN结实现光电转换和探测，由于受到材料本身的物理机制限制，现有光电探测手段在响应速度、探测波段等方面有明显限制，因此实现一种快速、宽波段响应的光电探测技术成为了一个重要研究方向。另一方面，近来年一种人工构建的波长量级的新型材料-超材料发展迅速，在电磁波的控制方面有着特有的优势。利用超材料的设计思路，将获得一种新型光电探测方法，弥补传统方法在响应速度和适用波段方面的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于非对称超材料结构的光电探测器。
本发明所提供的基于非对称超材料结构的光电探测器，包括至少一个超材料敏感单元。
所述基于非对称超材料结构的光电探测器可以仅由单个超材料敏感单元组成，也可以由多个超材料敏感单元以阵列形式组成。多个超材料敏感单元构成的探测器阵列既可以提高光电探测的性能，还可以拓宽应用范围，比如成像、光电计算等一系列与光电转换相关的功能。
所述超材料敏感单元由非对称电磁谐振结构与转换结构组成，且所述转换结构设置于所述非对称电磁谐振结构包围的区域中，整体结构设置于低损耗衬底上。当电磁波照射到所述超材料敏感单元上时，会在非对称电磁谐振结构上形成谐振电流或电场，从而产生局域磁场，其强度较入射电磁波的磁场强度有明显增强。所述超材料敏感单元中的转换结构置于局域强磁场中，其自由载流子运动将会在电场和磁场的共同作用下，因受到产生的洛伦兹力而发生偏转。所述洛伦兹力在电磁波的振荡周期内具有沿着同一个方向的分量，因此转换结构中自由载流子运动也包含定向移动分量，从而在转换结构的物理边界一端聚积产生负电势，并在另一端感应生成正电势，形成直流电势差。通过在上述转换结构的物理边界两端设置电极，便可得到直流电流或电压信号输出，如此便实现了高频电磁波(光)信号向直流电的转换。
所述非对称电磁谐振结构，在单个或多个对称标准下具有不对称性，并具有亚波长尺寸，其非对称结构主要目的是实现与被测电磁波的耦合谐振，并产生高的电场和磁场增强。所述非对称电磁谐振结构的形状可以是几何连续的，也可以由多个分立结构组成的多聚体结构。具体的，如图1所示，所述非对称电磁谐振结构可以由一U型槽和一平板组成，U型槽和平板包围的区域形成谐振腔，转换结构设置在谐振腔内。
所述非对称电磁谐振结构的组成材料，须满足电磁谐振对材料的基本要求，可以是金、银、铜等良导体金属，也可以是重掺杂或不掺杂的硅、锗、砷化镓等半导体，所述重掺杂或不掺杂的半导体中掺杂的元素包括硼元素、磷元素、砷元素等；亦可以是TiO2、BaTiO3等介质材料。
所述转换结构，是实际发生光电转换的结构，须位于非对称谐振结构产生的磁场增强区域内，以产生洛伦兹力。所述转换结构既可以是单个彼此分离的结构，也可以是连续的结构；可以是具有独立几何形状的结构，也可以是衬底上的一块掺杂区域。所述转换结构是由具有自由载流子的材料组成，可以是n型或p型掺杂的Si、GaAs等半导体材料，也可以是Bi、Cd3As2等半金属材料，亦可以是石墨烯、MoS2等二维材料。
所述衬底应为对入射电磁波损耗较低的材料，如微波波段的特氟龙、FR-4等，太赫兹波段的高纯Si、高纯GaAs等，可见光波段的玻璃、石英等，具体选择视工作波段而定。
所述超材料敏感单元可以成周期性阵列式排列，通过串联各单元，可以实现总转换电压的累积增强；通过并联各单元，可以实现总转换电流的累积增强。上述周期性结构的级联方式不限于单纯的串联或并联，也可以串并联混合，具体方式视需求而定。
本发明的有益效果为：
1)本发明的光电转换过程完全由人工结构耦合实现，无需传统光电探测器件所必须的PN结结构，因此避免了各类寄生效应，根据工作波长，其可以具有最高飞秒级的超快光电探测速度；
2)在本发明中，通过改变敏感单元参数，包括周期大小、结构尺寸大小、衬底介电常数，可以调整目标电磁波的响应波长，可调范围能够覆盖射频到可见光波段(波长范围可包括300nm-3m)；
3)本发明整体对组成材料并没有严苛的要求，因此通过选择较易加工的材料，可实现较低的加工难度和制作成本。
附图说明
图1为实施例1中的基于非对称超材料结构的光电探测方法的敏感单元示意图；其中，1为转换结构，2为非对称电磁谐振结构，3为衬底；
附图中相同的附图标记代表相同的部件。
图2为实施例1中的敏感单元在太赫兹频段的频域响应。
图3为实施例1中的敏感单元上的电流分布。
图4为实施例1中的敏感单元中转换结构中心的洛伦兹力频率信号。
图5为实施例1中的敏感单元上探测得到的电压信号强度。
图6为利用图1所示敏感单元构成的阵列式光电探测器示意图，其串联的连接方式可以提高输出的电压强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1、
本实施例提供一种在太赫兹波段(频率为0.63THz)工作的非对称超材料结构光电探测器，该探测器的单个超材料敏感单元结构如图1所示，可以采用紫外光刻或者激光直写技术进行制备超材料结构，所述超材料敏感单元由以下部分组成：
图1中的1部分为转换结构，具体材料为n型掺杂GaAs，尺寸为20μm×35μm，厚度为400nm；
图1中的2部分为非对称电磁谐振结构，相对图中A-A轴具有非对称性，具体材料为金，宽度为6μm，外边长为50μm，两个缺口宽度为6μm，金层厚度为400nm；
图1中的3部分为在太赫兹波段低损耗的衬底，具体材料为高纯GaAs(腐蚀缺陷密度为1500-5000cm2)，厚度为10μm；敏感单元可以60μm为周期向x，y两个方向周期性扩展。
图2是周期性结构的整体频率响应曲线，入射波采用平面波正入射，谐振频率设计为0.63THz，计算结果与设计相符。
图3是实施例1中超材料敏感单元在谐振时的电流分布，可以看到非对称电磁谐振结构上产生环形电流，转换结构中的电子在局域电场力驱动下发生运动。
图4为转换结构中心点出计算得到的洛伦兹力，入射太赫兹波电场强度为107V/m，频率为0.63THz，可以看到有明显的直流驱动力分量。
图5为实施例1中单个超材料敏感单元探测得到的电压值，探测方式如图6所示，只是这里得到的是一个敏感单元中的电压值。在本实施例中，入射太赫兹波电场强度为107V/m时，可以得到3.2mV的电压，同时也能探测到由于入射电场的电场力作用得到的基频电压。
图6为设计的一种3×3周期性结构电压串联的连线方式示意图，所述超材料敏感单元个数不限于3×3，单元个数越多，得到的电压值也越大。上述周期性结构的级联方式不限于单纯的串联或并联，也可以串并联混合，具体方式视需求而定。
在本发明中，通过改变超材料敏感单元参数，包括周期大小、结构尺寸大小、衬底介电常数等(比如将周期扩大，结构尺寸变大，响应波长将向长波长移动；周期缩小，结构尺寸缩小，响应波长将向短波长移动。)，可以调整目标电磁波的响应波长，可调范围能够覆盖射频到可见光波段(波长范围300nm-3m)。
Claims (8)
1.一种基于非对称超材料结构的光电探测器，包括至少一个超材料敏感单元；
所述超材料敏感单元由非对称电磁谐振结构与转换结构组成，且所述转换结构设置于所述非对称电磁谐振结构包围的区域中，整体结构设置于衬底上；
所述非对称电磁谐振结构，在单个或多个对称标准下具有不对称性，并具有亚波长尺寸；
所述非对称电磁谐振结构的形状是几何连续结构或由多个分立结构组成的多聚体结构；
所述非对称电磁谐振结构由一U型槽和一平板组成，U型槽和平板包围的区域形成谐振腔，转换结构设置在谐振腔内；
所述转换结构，须位于非对称谐振结构产生的磁场增强区域内，以产生洛伦兹力。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述非对称电磁谐振结构的组成材料，须满足电磁谐振对材料的要求；所述非对称电磁谐振结构的组成材料选自下述任意一种材料：良导体金属、重掺杂或不掺杂的半导体和介质材料。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述转换结构是单个彼此分离的结构或连续的结构；所述转换结构是具有独立几何形状的结构或是所述衬底上的一块掺杂区域。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述转换结构是由具有自由载流子的材料组成。
5.根据权利要求4所述的光电探测器，其特征在于：所述具有自由载流子的材料选自下述任意一种：金属材料、n型或p型掺杂的半导体材料、半金属材料和二维材料。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于：所述衬底的材料选择对入射电磁波损耗低的材料，包括特氟龙、FR-4、高纯Si、高纯GaAs、玻璃、石英。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光电探测器，其特征在于：所述基于非对称超材料结构的光电探测器由单个所述超材料敏感单元组成；
或所述基于非对称超材料结构的光电探测器由多个所述超材料敏感单元以阵列形式组成。
8.根据权利要求7所述的光电探测器，其特征在于：所述多个所述超材料敏感单元成周期性阵列式排列；所述周期性阵列式排列的级联方式包括串联、并联或串并联混合。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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