[發明專利]一種太赫茲波高速調制器及其制作方法

有效

• 申請號: 201110427332.4
• 申請日: 2011-12-19
• 公開（公告）號: CN102520532A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 張雄;叢嘉偉;郭浩;崔一平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02F1/017
• 分類號: G02F1/017;H01S5/343
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

?

技術領域

本發明屬于太赫茲波通信領域，尤其涉及一種太赫茲波調制器及其制作方法。

背景技術

無線通信的有限頻譜資源和迅速增長的高速業務需求的矛盾迫使人們去開發新的頻譜波段。太赫茲波是指頻率在0.1?THz到10?THz范圍的電磁波?(1?THz?=?10¹²?Hz)，波長為0.03?mm到3?mm，具有很大的帶寬，因此發展THz無線通信技術具有重要的實際應用價值。其中太赫茲波調制器是太赫茲通信系統中必不可少的器件之一，而目前太赫茲調制器的性能主要受限于材料的選擇和制備。新型半導體基底材料和電磁超材料（meta-material）的有機結合有望實現太赫茲某些關鍵技術，尤其是太赫茲調制技術的突破。

近年來所報道的THz波調制器有利用半導體塊狀材料對?THz波進行調制的方法。中國計量學院的李九生等基于超高電阻率的硅（Si）晶片，利用?808?nm激光照射產生光生載流子對THz波進行調制。由于超高電阻率?Si片中載流子的復合壽命較長，所以其調制速率僅為?0.2k?bps。砷化鎵GaAs中載流子的壽命較短，有可能成為制備高速太赫茲調制器的基底材料。捷克的?L.?Fekete等人采取在交替層疊的?SiO₂和?MgO周期結構中嵌入一層?GaAs缺陷層的辦法以構成一維光子晶體，利用?GaAs在?810?nm激光照射下產生的光生載流子的濃度變化來調制光子晶體的透過特性，從而實現高速調制?THz波的目的。但由于GaAs中載流子的壽命較短，響應時間可以達到?130?ps量級，所以雖然理論上對THz波的調制速率可以達到GHz量級，但為了獲得較高的光生載流子濃度和較大的調制深度，810?nm調制激光的光通量需達到?0.8?μJ/cm²的極高量級，其對應的連續波輸出激光功率則需要達到10^5?W以上，這使其在實際應用中受到極大限制。

發明內容

發明目的：針對上述現有存在的問題和不足，本發明提供了一種太赫茲波調制器,從而克服現有砷化鎵基底中載流子的復合壽命過短以致需要超強功率的調制激光器的缺陷，實現了在低功率調制激光的激發條件下也能對太赫茲波進行高速調制。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：一種太赫茲波高速調制器，包括襯底層，在該襯底層上生長有一緩沖層，在該緩沖層生長有應變量子阱結構，在該應變量子阱結構的上表面制備的由金屬諧振單元周期陣列組成的金屬超材料結構；所述應變量子阱結構包括兩個以上的勢壘層和至少一個勢阱層，所述勢阱層處于兩勢壘層中間，且所述應變量子阱結構最上層和最下層都是勢壘層；所述襯底層是＜111＞面取向，所述緩沖層與襯底層材料相同，所述勢阱層的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數相同或者相差不超過0.5%。

當太赫茲波依次通過金屬超材料結構、應變量子阱結構、緩沖層、最后從襯底層的下表面射出的同時，另有一束波長為810nm的調制激光入射到量子阱，激發光生載流子，由于所述應變量子阱結構中勢壘層和勢阱層的晶格失配從而產生強壓電場能夠有效的分離光生載流子中的電子和空穴，從而顯著增加光生載流子的濃度和復合壽命，極大的降低所需外部調制激光器的功率。

作為優選，所述襯底層、緩沖層和勢壘層材料是砷化鎵，所述勢阱層材料是銦鎵砷。或者所述襯底層和緩沖層是砷化鎵，所述勢壘層材料是鋁鎵砷，所述勢阱層材料是鎵砷磷。

作為優選，所述應變量子阱結構中勢壘層和勢阱層都是＜111＞面取向，所述勢壘層厚度為10～300nm，所述勢阱層厚度為1～30nm。

作為優選，所述緩沖層厚度為20～300nm。

作為優選，所述金屬超材料結構中金屬諧振單元的厚度為0.2～5微米，周期為20～80微米。

本發明的另一個目的是提供了一種上述太赫茲波高速調制器的制作方法，具體包括以下步驟：

a、通過金屬有機物化學氣相外延技術（MOCVD）或分子束外延技術（MBE）在＜111＞面取向的襯底層上生長一層緩沖層；

b、然后繼續在該緩沖層上依次生長＜111＞面取向的勢壘層、勢阱層和勢壘層，從而構成＜111＞面取向的應變單量子阱層，其中勢阱層選用的材料的能帶隙小于勢壘層，且所述勢壘層與襯底層的晶格常數相同或相差在0.5%以內；

c、通過蒸鍍和刻蝕的方法在所述應變量子阱結構上表面制備一層周期排列的金屬諧振單元組成的金屬超材料結構。