專利名稱：太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及一種利用表面等離激元的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術：
太赫茲(THz，ITHz = IO12Hz)波段通常是指頻率從IOOGHz到IOTHz，相應的波長從3毫米到30微米，介于毫米波(亞毫米波)與紅外光之間頻譜范圍相當寬的電磁波譜區(qū)域。但長期以來，由于缺乏有效的太赫茲源和探測方法，導致太赫茲頻段的電磁波未得到充分的研究和應用，被稱為電磁波譜中的“太赫茲空隙”。太赫茲技術的進步為人們對物質的表征和操控提供了很大的自由空間，已廣泛應用在射電天文探測、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時與安全的生物與醫(yī)學診斷等領域，并且在信息領域的高空間和時間分辨率探測、成像與信號處理、量子信息處理、大容量與高保密通信方面有著重要的應用價值和重大的應用前景。另一方面，雖然得益于半導體工藝技術的飛速進步，微納電子器件的尺寸遵循摩爾定律持續(xù)地縮小，芯片內信息的處理速度也得以快速提高。然而，面對現(xiàn)代信息社會對信息大容量傳輸、高速處理和獲取所提出的越來越高的要求，沿傳統(tǒng)的道路(比如按比例縮小器件尺寸)實現(xiàn)處理速度從吉赫茲到太赫茲的跨越，將會遇到眾多棘手的難題。伴隨著尺寸的縮小，器件的功耗控制問題以及導線電阻、電容增大導致的信號延遲問題，都是設計器件時面臨的基本物理限制。原則上，光子器件能提供太赫茲量級的數(shù)據(jù)帶寬容量，并且能并行地處理信息。然而，傳統(tǒng)的光子器件由于衍射極限這一物理限制，器件尺度不能小于其波長的大小，以致由于物理尺度上的巨大差異，微米量級的光子器件與納米量級的電子器件難以順利地兼容各自的優(yōu)點。這一尺度兼容問題在太赫茲光子操控系統(tǒng)中特別突出。雖然太赫茲波的產生、傳播和探測等技術近十年來進展迅速，但是目前標準的太赫茲測試系統(tǒng)還都是由各獨立元件組裝配置而成，需要用到相對比較大型、笨重的遠場光學器件，尤其是太赫茲源、探測、傳播和調制等部分分立于系統(tǒng)中的各處，它們之間的物理間隔較大，集成度相當?shù)汀?br>
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高集成度的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法?！N太赫茲光子片上控制系統(tǒng)包括半導體異質結，所述半導體異質結表面形成有二維電子氣；形成于所述半導體異質結表面的表面等離激元波導，所述表面等離激元波導用于傳播表面等離激元太赫茲光子；形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導的第一源電極、第一漏電極、第一門電極，所述第一源電極、第一漏電極和第一門電極用于形成太赫茲源量子點，所述第一源電極、第一漏電極用于輸入吉赫茲波源以激發(fā)所述太赫茲源量子點產生太赫茲光子，進而與所述表面等離激元波導耦合形成表面等離激元太赫茲光子；形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導的第二源電極、第二漏電極、第二門電極，所述第二門電極，所述第二源電極、第二漏電極和第二門電極用于形成太赫茲探測量子點，所述表面等離激元太赫茲光子激發(fā)所述太赫茲探測量子點產生電子-空穴對，所述第二源電極、第二漏電極用于施加電壓，將所述電子-空穴對分解成自由載流子而形成可測量的電流信號。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的優(yōu)選的一種技術方案，所述表面等離激元波導為導電的納米線。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的優(yōu)選的一種技術方案，所述表面等離激元波導的材料為金或銀或銅或鋁。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的優(yōu)選的一種技術方案，所述表面等離激元波導與所述半導體異質結之間設置有介質層。上述太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟在所述第一源電極、第一漏電極、第一門電極上施加電壓，形成所述太赫茲源量子點，在所述第二源電極、第二漏電極、第二門電極上施加電壓，形成所述太赫茲探測量子點；在所述第一源電極、第一漏電極上輸入吉赫茲波源，所述吉赫茲波源激發(fā)所述太赫茲源量子點輻射出太赫茲光子；所述太赫茲源量子點輻射出的太赫茲光子耦合輸入所述表面等離激元波導，形成沿所述表面等離激元波導傳播的表面等離激元太赫茲光子；所述表面等離激元太赫茲光子通過耦合作用在所述太赫茲探測量子點內激發(fā)出電子-空穴對；在所述第二源電極、第二漏電極上施加電壓，將所述電子-空穴對分解成自由載流子，形成可測量的電流信號；分析所述電流信號的時序特征。從而對所述表面等離激元太赫茲光子進行探測。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法的優(yōu)選的一種技術方案，所述太赫茲源量子點內部有兩個能態(tài)，能級間隔對應的頻率范圍為ο. 2-2THZ。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法的優(yōu)選的一種技術方案，所述第一門電極控制所述太赫茲源量子點的形狀和內部能級間隔的大小，所述第二門電極控制所述太赫茲探測量子點的形狀和內部能級間隔的大小。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法的優(yōu)選的一種技術方案，調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲源量子點之間的距離進而調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲源量子點之間的耦合強度，調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲探測量子點之間的距離進而調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲探測量子點之間的耦合強度。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法的優(yōu)選的一種技術方案，所述吉赫茲信號的頻率范圍是10-100GHZ。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法利用表面等離激元作為太赫茲光子的載體，采用了平板半導體工藝以形成所述太赫茲源量子點、所述太赫茲探測量子點以及所述表面等離激元波導，從而易于控制器件形貌。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)具有結構緊湊、易與外部電路集成的特點，實現(xiàn)了在單個芯片上進行太赫茲光子的激發(fā)、傳播、探測等操控行為。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)利用表面等離激元特有的亞波長局域特性，突破光子器件衍射極限的限制，在納米尺度進行太赫茲光場局域和控制，實現(xiàn)太赫茲光子的片上操控，無需借助任何遠場光學器件就可以進行太赫茲光子信息的全電學操控。在半導體工藝成熟的條件下，具有原理新穎簡單、設計靈活方便、在信息領域應用范圍廣、實用性強的特點。


圖1是本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。請參閱圖1，圖1是本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的結構示意圖。所述太赫茲光子片上控制系統(tǒng)包括半導體異質結(圖未示)、形成于所述半導體異質結表面的二維電子氣(圖未示)、形成于所述半導體異質結表面的表面等離激元波導15、太赫茲源量子點形成結構、太赫茲探測量子點形成結構。優(yōu)選的，半導體異質結為GaAs半導體異質結或 AlGaAs半導體異質結。所述二維電子氣距離所述半導體異質結表面約Ι-lOOnm，所述二維電子氣的電子遷移率大約為SXlO5CmW1,電子密度為lXlO^cnT2。所述表面等離激元波導15用于傳播表面等離激元太赫茲光子。具體的，所述表面等離激元波導15為在所述半導體異質結表面用平板工藝技術制作的金屬納米線，優(yōu)選的， 在所述半導體異質結表面以金或銀或銅或鋁等材質制備所述納米線，用作表面等離激元波導。所述太赫茲源量子點形成結構形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導15。所述太赫茲源量子點形成結構包括形成于所述半導體異質結表面金屬電極。具體的，所述太赫茲源量子點形成結構包括第一源電極11、第一漏電極13、第一門電極 12。當所述第一源電極11、第一漏電極12和第一門電極13通電后，在所述二維電子氣中形成了太赫茲源量子點14。所述太赫茲源量子點14內部有兩個能態(tài)，能級間隔對應的頻率范圍為0. 2-2THz。所述第一門電極12控制所述太赫茲源量子點14的形狀和內部能級間隔的大小。當所述第一源電極11、第一漏電極13輸入吉赫茲波源后，所述吉赫茲波源激發(fā)所述太赫茲源量子點14產生太赫茲光子，進而使所述表面等離激元波導15耦合形成表面等離激元太赫茲光子。所述太赫茲探測量子點形成結構形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導15。所述太赫茲探測量子點形成結構包括形成于所述半導體異質結表面金屬電極。具體的，所述太赫茲探測量子點形成結構包括第二源電極16、第二漏電極18、第二門電極17。當所述第二源電極16、第二漏電極18和第二門電極17通電后，在所述二維電子氣中形成了太赫茲探測量子點19。所述第二門電極17控制所述太赫茲探測量子點19的形狀和內部能級間隔的大小。優(yōu)選的，所述太赫茲源量子點14與所述太赫茲探測量子點19 到所述表面等離激元波導15距離為Ι-lOOnm。所述太赫茲源量子點14與所述太赫茲探測量子點19之間的距離視具體應用可作調整。所述表面等離激元波導15傳播的表面等離激元太赫茲光子激發(fā)所述太赫茲探測量子點19產生電子-空穴對。向所述第二源電極16、第二漏電極18施加電壓，從而將所述電子-空穴對分解成自由載流子而形成可測量的電流信號。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法包括如下步驟在所述第一源電極11、第一漏電極13、第一門電極12上施加電壓，形成所述太赫茲源量子點14 ；在所述第二源電極16、第二漏電極18、第二門電極17上施加電壓，形成所述太赫茲探測量子點19。在所述第一源電極11、第一漏電極13上輸入吉赫茲波源。所述太赫茲源量子點 14受到吉赫茲波源的激發(fā)，通過高次諧波作用輻射出太赫茲光子。優(yōu)選的，所述吉赫茲波源為大功率吉赫茲波源，頻率范圍為lO-lOOGHz。所述太赫茲源量子點14輻射出的太赫茲光子由近場耦合作用耦合輸入所述表面等離激元波導15的表面等離激元模，從而實現(xiàn)表面等離激元光子的電學激發(fā)，形成沿所述表面等離激元波導15傳播的表面等離激元太赫茲光子。由于表面等離激元是導體表面源于自由電子集體振蕩的電荷密度波與其電磁模聯(lián)合形成的一種傳播激發(fā)子，表面等離激元模局域于波導，其尺度大小與波導直徑相當，突破了衍射極限的物理限制。優(yōu)選的，調整所述表面等離激元波導15與所述太赫茲源量子點14之間的距離，可以調整所述表面等離激元波導15與所述太赫茲源量子點14之間的耦合強度，進而提高太赫茲光子的激發(fā)效率。在所述表面等離激元波導15中傳播的所述表面等離激元太赫茲光子通過近場耦合作用在所述太赫茲探測量子點19內激發(fā)出電子-空穴對。在所述第二源電極16、第二漏電極18上施加電壓，將所述電子-空穴對分解成自由載流子，形成可測量的電流信號。通過外部探測電路(圖未示)分析所述電流信號的時序特征。從而對所述表面等離激元太赫茲光子進行探測。具體的，通過測量電路測量所述第二源電極16、第二漏電極 18中的電流或電導。優(yōu)選的，調整所述表面等離激元波導15與所述太赫茲探測量子點19 之間的距離可以調整所述表面等離激元波導15與所述太赫茲探測量子點19之間的耦合強度，進而提高對太赫茲光子的激發(fā)效率。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法利用表面等離激元作為太赫茲光子的載體，采用了平板半導體工藝以形成所述太赫茲源量子點14、所述太赫茲探測量子點19以及所述表面等離激元波導15，從而易于控制器件形貌。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)具有結構緊湊、易與外部電路集成的特點，實現(xiàn)了在單個芯片上進行太赫茲光子的激發(fā)、傳播、探測等操控行為。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)利用表面等離激元特有的亞波長局域特性，突破光子器件衍射極限的限制，在納米尺度進行太赫茲光場局域和控制，實現(xiàn)太赫茲光子的片上操控，無需借助任何遠場光學器件就可以進行太赫茲光子信息的全電學操控。在半導體工藝成熟的條件下，具有原理新穎簡單、設計靈活方便、在信息領域應用范圍廣、實用性強的特點。圖1中的本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)僅僅示出了一個太赫茲源量子點14 和一個太赫茲探測量子點19。所述等離激元波導15周圍也可以分布多個太赫茲源量子點 14和太赫茲探測量子點19以組成網(wǎng)絡，并不限于上述實施方式所述。本發(fā)明的等離激元波導15形成于所述半導體異質結表面，所述等離激元波導15 與所述半導體異質結之間也可以設置介質層(圖未示)，所述介質層的厚度為Ι-lOOnm，并不限于上述實施方式所述。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實施例。
權利要求
1.一種太赫茲光子片上控制系統(tǒng)，其特征在于，包括半導體異質結，所述半導體異質結表面形成有二維電子氣；形成于所述半導體異質結表面的表面等離激元波導，所述表面等離激元波導用于傳播表面等離激元太赫茲光子；形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導的第一源電極、第一漏電極、第一門電極，所述第一源電極、第一漏電極和第一門電極用于形成太赫茲源量子點，所述第一源電極、第一漏電極用于輸入吉赫茲波源以激發(fā)所述太赫茲源量子點產生太赫茲光子，進而與所述表面等離激元波導耦合形成表面等離激元太赫茲光子；形成于所述半導體異質結表面且鄰近所述表面等離激元波導的第二源電極、第二漏電極、第二門電極，所述第二門電極，所述第二源電極、第二漏電極和第二門電極用于形成太赫茲探測量子點，所述表面等離激元太赫茲光子激發(fā)所述太赫茲探測量子點產生電子-空穴對，所述第二源電極、第二漏電極用于施加電壓，將所述電子-空穴對分解成自由載流子而形成可測量的電流信號。
2.如權利要求1所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)，其特征在于，所述表面等離激元波導為導電的納米線。
3.如權利要求2所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)，其特征在于，所述表面等離激元波導的材料為金或銀或銅或鋁。
4.如權利要求1所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)，其特征在于，所述表面等離激元波導與所述半導體異質結之間設置有介質層。
5.一種如權利要求1所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟在所述第一源電極、第一漏電極、第一門電極上施加電壓，形成所述太赫茲源量子點， 在所述第二源電極、第二漏電極、第二門電極上施加電壓，形成所述太赫茲探測量子點；在所述第一源電極、第一漏電極上輸入吉赫茲波源，所述吉赫茲波源激發(fā)所述太赫茲源量子點輻射出太赫茲光子；所述太赫茲源量子點輻射出的太赫茲光子耦合輸入所述表面等離激元波導，形成沿所述表面等離激元波導傳播的表面等離激元太赫茲光子；所述表面等離激元太赫茲光子通過耦合作用在所述太赫茲探測量子點內激發(fā)出電子-空穴對；在所述第二源電極、第二漏電極上施加電壓，將所述電子-空穴對分解成自由載流子， 形成可測量的電流信號；分析所述電流信號的時序特征，從而對所述表面等離激元太赫茲光子進行探測。
6.如權利要求5所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述太赫茲源量子點內部有兩個能態(tài)，能級間隔對應的頻率范圍為0. 2-2THz。
7.如權利要求5所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述第一門電極控制所述太赫茲源量子點的形狀和內部能級間隔的大小，所述第二門電極控制所述太赫茲探測量子點的形狀和內部能級間隔的大小。
8.如權利要求5所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲源量子點之間的距離進而調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲源量子點之間的耦合強度，調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲探測量子點之間的距離進而調整所述表面等離激元波導與所述太赫茲探測量子點之間的耦合強度。
9.如權利要求5所述的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述吉赫茲信號的頻率范圍是10-100GHZ。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太赫茲光子片上控制系統(tǒng)及其控制方法。所述系統(tǒng)包括半導體異質結，所述半導體異質結表面形成有二維電子氣；等離激元波導；形成于所述半導體異質結表面的第一源電極、第一漏電極、第一門電極，所述第一源電極、第一漏電極和第一門電極用于形成太赫茲源量子點；形成于所述半導體異質結表面的第二源電極、第二漏電極、第二門電極，所述第二門電極，所述第二源電極、第二漏電極和第二門電極用于形成太赫茲探測量子點。本發(fā)明的太赫茲光子片上控制系統(tǒng)利用表面等離激元將太赫茲源、探測、傳播和調制元件集成于一塊芯片，能進行片上太赫茲光子的操控。
文檔編號H01L21/02GK102176463SQ20101060019
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權日2010年12月21日
發(fā)明者鐘旭 申請人:上海電機學院