胡廣堯，文天龍，張懷武

電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610054)

0 引言

太赫茲波(THz)通常指頻率在0.1～10 THz的電磁波，它不僅具有宏觀電子學(xué)和微觀光子學(xué)相關(guān)研究的一些特點(diǎn)，同時(shí)又表現(xiàn)出一系列不同于其他波段電磁輻射的獨(dú)特性質(zhì)，故太赫茲波段的研究成為多科學(xué)領(lǐng)域互相融合的巨大推手[1]。太赫茲波段相關(guān)研究雖對(duì)多學(xué)科的發(fā)展都有益處，但由于太赫茲波源的缺少及探測器研究的不足等使得太赫茲頻段的研究無法全速發(fā)展，故這一波段曾被稱為“太赫茲空隙”[2]。近年來，隨著激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等的發(fā)展，填補(bǔ)了太赫茲源及相關(guān)器件的缺乏，使太赫茲輻射的性質(zhì)與產(chǎn)生的相關(guān)研究也得到了快速發(fā)展。太赫茲相關(guān)科學(xué)與技術(shù)研究日新月異, 除傳統(tǒng)太赫茲探測、太赫茲源與太赫茲成像相關(guān)研究外，太赫茲技術(shù)在無損檢測、通信雷達(dá)、材料表征等方面的應(yīng)用都得到了全面且快速的發(fā)展[3-6]。

電磁超材料同樣是在過去十幾年間產(chǎn)生了新的研究方向，電磁超材料具有已知材料未有的獨(dú)特電磁特性，這些特殊性質(zhì)吸引了無數(shù)學(xué)者為之付出努力[7-8]。現(xiàn)在超材料相關(guān)研究經(jīng)過多年的發(fā)展已遠(yuǎn)不止于實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率[9-10]這些性質(zhì)，也不僅是為了實(shí)現(xiàn)“左手材料”[11]概念，近年來學(xué)者們提出了超表面、超器件[12]等全新概念，超材料的相關(guān)研究還在持續(xù)發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲波電光調(diào)制器。使用超材料結(jié)構(gòu)加載電壓，實(shí)現(xiàn)諧振環(huán)開口處的強(qiáng)電場控制激光照射硅產(chǎn)生的光生載流子，從而實(shí)現(xiàn)太赫茲波的快速調(diào)制。

1 超材料太赫茲調(diào)制器工作原理

本文的超材料太赫茲波電光調(diào)制器原理圖如圖1所示。N型硅基底上使用銅超材料層，背面接背電極，通過硅基的超材料結(jié)構(gòu)及背電壓加載電壓，太赫茲波垂直于超材料結(jié)構(gòu)表面入射并穿過器件。

圖1 超材料太赫茲波電光調(diào)制器示意圖

當(dāng)激光照射在超材料表面時(shí)，若入射光子能量hν大于硅基底的禁帶寬度1.12 eV，硅基中會(huì)產(chǎn)生大量光生載流子。本文使用638 nm波長的激光(光子能量1.94 eV)激發(fā)光生載流子。該太赫茲波電光調(diào)制器的本質(zhì)是通過電壓控制恒定激光照射下光生載流子的穩(wěn)定濃度。由于雙開口諧振環(huán)的開口處間隙極小，當(dāng)超材料結(jié)構(gòu)電極處加載一定電壓時(shí)，開口處會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電場，從而讓光生載流子發(fā)生漂移。通過超材料結(jié)構(gòu)的金屬電極抽走光生載流子，從而改變雙開口諧振環(huán)開口處的載流子濃度，改變硅基底表層的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，使太赫茲波的透射率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制。

2 超材料電磁仿真及調(diào)制器制作

超材料陣列作為太赫茲調(diào)制器的核心單元，其結(jié)構(gòu)直接決定了調(diào)制器的插入損耗及調(diào)制帶寬。本文中太赫茲超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過電磁仿真確定，電磁仿真過程在CST Microwave Studio中完成。

圖2為本文選擇的雙開口諧振環(huán)單元串聯(lián)成為超材料陣列。圖中a、b為雙開口諧振環(huán)的長和寬，c為諧振單元的寬度，d為串聯(lián)單元金屬線的線寬，l為雙開口諧振環(huán)到串聯(lián)金屬線的間距，w為諧振環(huán)的線寬，g為諧振環(huán)開口間隙寬度。

圖2 雙開口諧振環(huán)單元結(jié)構(gòu)示意圖

仿真采用CST Microwave Studio頻域求解器求解，使用Floquet boundary周期邊界條件約束，通過S21參數(shù)仿真，優(yōu)化諧振單元結(jié)構(gòu)參數(shù)確定如下：a=b=l=30 μm，c=60 μm，d=10 μm，w=5 μm，g=5 μm。仿真得到的雙開口諧振環(huán)陣列，其諧振頻率為0.72 THz。

通過CST Microwave Studio完成電磁仿真確定超材料結(jié)構(gòu)的參數(shù)后，基于光刻濺射剝離微細(xì)加工工藝完成了太赫茲調(diào)制器的制作。工藝步驟如下：

1) 使用N型雜質(zhì)摻雜的雙面拋光硅片，丙酮、酒精、去離子水超聲清洗干凈并光刻形成超材料結(jié)構(gòu)圖形。

2) 使用光刻膠作為掩膜，磁控濺射一層厚20 nm/200 nm的鈦/銅薄膜。

3) 剝離光刻膠后形成超材料結(jié)構(gòu)陣列區(qū)域及電極區(qū)域。

4) 將有超材料結(jié)構(gòu)的正面電極區(qū)域接出導(dǎo)線，使用銀漿將事先做好的印制電路板(PCB)模型與基片背面貼合形成背電極，完成該太赫茲調(diào)制器的制作。

3 超材料太赫茲調(diào)制器表征

3.1 超材料太赫茲調(diào)制器光譜響應(yīng)性能表征

超材料結(jié)構(gòu)性能最基本的指標(biāo)是超材料的光譜響應(yīng)曲線。本文超材料太赫茲調(diào)制器采用Fico太赫茲時(shí)域光譜儀進(jìn)行測試，測試時(shí)器件在常溫常壓下不連接任何外電路且無激光照射。實(shí)際樣品的太赫茲透射曲線與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖3所示。由圖可見，測試與仿真結(jié)果的透射圖譜基本一致，器件超材料結(jié)構(gòu)達(dá)到仿真設(shè)計(jì)要求。

圖3 器件仿真S21參數(shù)與實(shí)驗(yàn)透射率對(duì)比圖

3.2 超材料太赫茲調(diào)制器動(dòng)態(tài)調(diào)制測試表征

3.2.1 超材料太赫茲調(diào)制器動(dòng)態(tài)調(diào)制的調(diào)制深度表征

動(dòng)態(tài)調(diào)制系統(tǒng)由0.34 THz太赫茲源、肖特基太赫茲波探測器、示波器及樣品臺(tái)等部分組成。0.34 THz的太赫茲波信號(hào)經(jīng)過放大聚焦垂直透射過器件表面后被太赫茲探測器檢測到，并通過示波器顯示出實(shí)時(shí)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度。動(dòng)態(tài)測試示意圖如圖4所示。

圖4 器件測試方式示意圖

測試中使用638 nm的激光照射在器件表面，激光光斑直徑約為6 mm，激光功率為500 mW。V1為電壓源恒定電壓，V2為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波電壓，使用V2作為調(diào)制信號(hào)。

用調(diào)制深度Dm表征太赫茲超材料調(diào)制器的調(diào)制性能，且

Dm=(Ivoff-Ivon)/Ivoff×100%

(1)

式中：Ivoff為無外加激勵(lì)時(shí)的太赫茲信號(hào)強(qiáng)度；Ivon為加入調(diào)制電壓信號(hào)時(shí)的太赫茲信號(hào)強(qiáng)度。

將500 mW的638 nm激光照射在器件表面超材料結(jié)構(gòu)處，V1為恒定電壓，V2為偏置的方波電壓調(diào)制信號(hào)(低電平為0，高電平為V2，頻率為1 kHz)。當(dāng)V1=9 V時(shí)，V2對(duì)透射太赫茲波的調(diào)制達(dá)到最大。當(dāng)V2峰-峰值分別為4 V、6 V、8 V時(shí)(見圖5(a))，其Dm分別為16.7%、26.7%、33.3%；隨著方波電壓峰-峰值變大，超材料金屬環(huán)開口處電場的變化逐漸增強(qiáng)。當(dāng)V2為低電平時(shí)，電場最強(qiáng)，光生載流子發(fā)生漂移，并被外電路抽走，太赫茲波透射率較高；當(dāng)V2為高電平時(shí)，電場最弱，光生載流子漂移降低，光生載流子濃度較V2低電平時(shí)高，太赫茲波透射率降低。因此，在V2調(diào)制電壓的作用下，透射太赫茲波的強(qiáng)度被調(diào)制。當(dāng)V2變得更大時(shí)，器件的Dm也變大。當(dāng)V1接恒定負(fù)電壓時(shí)，太赫茲波調(diào)制在V1=-3 V時(shí)達(dá)到最大調(diào)制深度，其調(diào)制如圖5(b)所示，當(dāng)調(diào)制電壓V2峰-峰值為4 V、6 V、8 V時(shí)，得到Dm分別為9%、36.4%、50%,隨著方波電壓峰-峰值變大，器件的Dm同樣也變大。

圖5 V1不變，改變V2時(shí)，動(dòng)態(tài)測試結(jié)果

由于圖5中加載V1的電壓方向不同，調(diào)制的效果也不同。當(dāng)V1為恒定正電壓時(shí)，隨著V2峰-峰值的逐漸變大，超材料金屬環(huán)開口處電勢差逐漸下降，從而減小了開口處的電場，降低了器件對(duì)于光生載流子的輸運(yùn)能力，導(dǎo)致太赫茲波的透射率隨著方波電壓峰-峰值的變大而減小。這里增大調(diào)制電壓信號(hào)V2峰-峰值，雖然增大了Dm，但同樣也增大了調(diào)制器件的插入損耗。當(dāng)V1為恒定負(fù)電壓時(shí)，隨著V2峰-峰值的逐漸變大，超材料金屬環(huán)開口處電勢差逐漸上升，增強(qiáng)了開口處的電場。這不但加深了太赫茲波的Dm，還降低了器件的插入損耗。

3.2.2 超材料太赫茲調(diào)制器動(dòng)態(tài)調(diào)制-3 dB調(diào)制速度表征

超材料太赫茲調(diào)制器的調(diào)制速度也是調(diào)制器件的重要屬性。圖6為在500 mW激光照射下，加載了一定V1與不同方波電壓調(diào)制信號(hào)下太赫茲波形的峰-峰值。由圖可見，峰-峰值隨著電壓調(diào)制信號(hào)頻率的增加而減小，該太赫茲超材料調(diào)制器的-3 dB調(diào)制速度(在調(diào)制電壓信號(hào)峰-峰值降至頻率為1 kHz調(diào)制電壓信號(hào)峰-峰值的50%時(shí)，此時(shí)峰-峰值對(duì)應(yīng)的頻率為-3 dB調(diào)制速度。)約達(dá)30 kHz，與傳統(tǒng)裸硅基片的11 kHz的光調(diào)制速度相比，其顯著提升了硅基太赫茲波調(diào)制器的調(diào)制速度。

圖6 -3 dB調(diào)制速度圖

4 結(jié)束語

本文基于硅基超材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造了一款在0.34 THz下的常溫太赫茲調(diào)制器。該調(diào)制器通過小電壓調(diào)制信號(hào)控制，且電壓信號(hào)直接加載在超材料結(jié)構(gòu)處。通過恒定激光照射且外加電壓調(diào)制信號(hào)的條件下，調(diào)制深度可達(dá)50%,同時(shí)調(diào)制速度達(dá)到30 kHz。