專利名稱：磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲波可調(diào)隔離器及其控制方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12THz)波是指頻率在O. l-ΙΟΤΗζ (對應(yīng)的波長為3mm
30μ m)范圍的電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，THz波具有透視性、安全性、高信噪比等許多優(yōu)越特性，在光譜、成像和通信等領(lǐng)域具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。然而由于長期以來在THz波段缺乏低損耗、寬帶單向傳輸器件，如隔離器、環(huán)形器等，THz應(yīng)用系統(tǒng)中元件的反射回波和散射噪聲嚴(yán)重地限制了系統(tǒng)的性能。 隔離器是一種二端口非互易磁光器件，可實現(xiàn)端口 I輸入、端口 2輸出，而禁止端口 2輸入、端口 I輸出的單向傳輸功能，是在可見與近紅外波段激光與光通信領(lǐng)域常見的光電器件。隔離器的性能主要由兩個方面來決定一是正向傳輸時的透過率TfOT，高的正向透過率帶來低的插入損耗；二是反向波的透過率Tbadt與正向波透過率之比，即隔離度，表示為Iso = -101og(Tbaek/TfJ，反向波越小、正向波越大，隔離度越大，器件的單向傳輸能力越強。由于在THz波段具有旋磁或旋電響應(yīng)的非互易材料十分有限，THz單向傳輸器件在過去鮮有報道，直到最近，一些THz波非互易傳輸機制和器件的研究才有初步進(jìn)展。Fan等提出了基于鐵氧體旋磁材料的THz光子晶體可調(diào)諧環(huán)形器[F. Fan, et al. Opt.Commun. 2012，285 :3763-3769]，盡管該環(huán)形器的隔離度達(dá)65dB，但此類器件需要在很大的外磁場(大于7T，1特斯拉=IO4高斯)下工作，且工作頻率低、帶寬窄。Hu等提出了使用半導(dǎo)體旋電材料構(gòu)成金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)THz波的單向傳輸，該器件使用的半導(dǎo)體材料所需的磁場約為lT[B.Hu，et al.Opt. Lett. 2012，37，1895-1897]。然而由于MIS結(jié)構(gòu)較為簡單，其誘導(dǎo)產(chǎn)生的磁表面等離子模式的單向傳輸能力很弱，使得該類器件的傳輸透過率低于60%，隔離度低于30dB。因此，現(xiàn)有THz單向傳輸器件還很難滿足實際應(yīng)用系統(tǒng)的需要。由于高電子遷移率半導(dǎo)體如InSb、HgTe、石墨烯等的回旋頻率位于THz波段，這種機制的器件工作所需的外磁場較小(低溫下小于1T)，因此可作為THz隔離器的工作介質(zhì)。在近紅外波段的大量理論研究表面，除了材料旋磁或旋電性的強弱，器件的結(jié)構(gòu)同樣決定著單向傳輸波導(dǎo)的非互易性。因此需要從材料和器件結(jié)構(gòu)兩個方面出發(fā)提高THz隔離器的性能一方面選取合適的高電子遷移率半導(dǎo)體材料，研究其在THz波段的旋電性質(zhì)，確定適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟群痛艌鰪姸?；另一方面通過合理地設(shè)計光子晶體、光子微腔、表面等離子體波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)以增強器件的單向傳輸性能
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有太赫茲隔離器存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高隔離度磁場可調(diào)控的太赫茲隔離器及其控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為由金屬壁與半導(dǎo)體柱線陣列之間的空氣間隙構(gòu)成表面等離子體波導(dǎo)，波導(dǎo)一側(cè)為金屬反射邊界、另一側(cè)為半導(dǎo)體柱與空氣交替組合的散射邊界，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有非對稱性和周期性。通過在低溫下施加一定大小的外磁場，高電子遷移率半導(dǎo)體材料銻化銦將在THz波段表現(xiàn)出旋電性質(zhì)并誘導(dǎo)產(chǎn)生磁表面等離子體模式，其在非對稱性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中具有單向傳輸特性。又通過半導(dǎo)體柱線陣列的設(shè)計引入周期性結(jié)構(gòu)和強散射機制，使得該器件具有特有的光子帶隙特性和模式選擇特性，大大增強了波導(dǎo)的單向傳輸性能。本發(fā)明將半導(dǎo)體在THz波段的磁光效應(yīng)、表面等離子體激元效應(yīng)與器件結(jié)構(gòu)的非對稱性、周期性結(jié)合起來實現(xiàn)一種新型的高效可調(diào)控太赫茲隔離器。
磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器包括金屬壁、半導(dǎo)體柱陣列、表面等離子體波導(dǎo)、半導(dǎo)體襯底、正向輸入端、反向輸入端和外磁場，其中表面等離子體波導(dǎo)由金屬壁與半導(dǎo)體柱線陣列的間隙構(gòu)成，THz波沿此波導(dǎo)傳輸。金屬壁使用的材料是銅、鋁、銀、金等高電導(dǎo)率金屬材料，半導(dǎo)體柱陣列和半導(dǎo)體襯底采用高電子遷移率半導(dǎo)體材料——非摻雜銻化銦。該器件制作方法為在銻化銦晶圓上使用離子束深度蝕刻工藝成型一列正方形銻化銦柱和一個臺階，再采用掩膜和濺射鍍膜工藝將臺階及其側(cè)壁鍍上厚度大于IOOnm金屬膜，從而形成金屬壁。半導(dǎo)體柱高大于100 μ m，柱寬60 μ m，相鄰柱中心間距為100 μ m，柱邊沿與金屬壁間距50 μ m,柱數(shù)量不少于15個。磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的工作方法是在沿半導(dǎo)體柱軸線方向施加一個外磁場，磁場可小于1T，器件所處環(huán)境溫度為160 220K范圍。在此工作條件下，可使器件工作頻段位于THz范圍，位于工作頻段內(nèi)的THz波以TM偏振波的形式入射，從器件正向輸入端輸入可獲得高效輸出，而從反向輸入端輸入則不能從該器件輸出。通過改變外磁場大小可以靈活地調(diào)控器件中心工作頻率在恒定溫度下，增大外磁場，工作頻段向低頻移動。器件所處的環(huán)境溫度也影響著器件所需的磁場大小和工作頻段在固定工作頻率下，環(huán)境溫度越高，所需施加的外磁場越大。本發(fā)明的有益效果是(I)采用高電子遷移率半導(dǎo)體銻化銦為器件工作介質(zhì)，并根據(jù)銻化銦在THz波段的旋電和色散性質(zhì)，確定了器件工作在THz波段所需的磁場大小范圍和溫度范圍，較之以往使用微波磁性材料的毫米波、太赫茲波隔離器大大減小了的外加磁場，提高了器件工作頻率和帶寬；(2)采用金屬-空氣-半導(dǎo)體的非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，結(jié)合旋電半導(dǎo)體材料，使得波導(dǎo)中產(chǎn)生磁表面等離子體模式，實現(xiàn)了 THz波段的單向隔離傳輸；
(3)采用周期性半導(dǎo)體柱陣列結(jié)構(gòu)，將光子帶隙特性引入表面等離子體波導(dǎo)，又將陣列設(shè)計為線列結(jié)構(gòu)而引入選模特性，增加了器件對其他模式的散射，這兩種效應(yīng)的綜合利用大大增強了磁表面等離子體模式的單向傳輸特性，使得本發(fā)明較之以往太赫茲隔離器具有更高的隔離度和低的插入損耗。本發(fā)明的優(yōu)點是較之已有的太赫茲隔離器，該器件插入損耗低，低于O. 25dB ;隔離度高，大于90dB ;工作頻率高，可工作在ITHz以上；工作寬帶大，80GHz單向傳輸帶寬；調(diào)諧范圍寬，在O. 8 I. 5THz內(nèi)磁場可調(diào)諧；調(diào)控靈活簡便，可使用磁場和溫度對工作頻段進(jìn)行調(diào)控；外加磁場低，185K溫度下施加磁場可低于O. 7T ;結(jié)構(gòu)較為簡單、體積小、易于集成化，器件尺寸約為I. 5mmX ImmXO. 5mm,因此可以滿足太赫茲光譜、成像和通信等領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)的要求，具有極大的科研價值和應(yīng)用前景。


圖I (a)是磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的三維示意圖；圖I (b)是磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的上視圖；
圖2(a)是在185K溫度、O. 4T外磁場下磁表面等離子體波導(dǎo)正、反向傳輸?shù)纳⑶€.圖2(b)是在185K溫度、O. 4T外磁場下磁表面等離子體波導(dǎo)一個周期單元中各模式電磁場分布；圖3(a)是185K溫度、不同外磁場下磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器的正向傳輸THz光譜；圖3(b)是185K溫度、不同外磁場下磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器的反向傳輸THz光譜；圖4是185K溫度、不同外磁場下磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器的隔離度譜線；圖5是在185K溫度、O. 4T磁場條件下，不同傳輸方向和頻率的THz波入射磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器時的穩(wěn)態(tài)電磁場分布示意圖；圖6是185K溫度下，不同頻率THz波正向入射磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器的傳輸透過率隨外磁場變化曲線；圖7是在不同外磁場強度下，頻率為I. 2THz的THz波正向入射磁表面等離子體波導(dǎo)隔離器的傳輸透過率隨溫度變化曲線。圖中金屬壁I、銻化銦線陣列2、表面等離子體波導(dǎo)3、銻化銦襯底4、正向輸入端
5、反向輸入端6、外磁場方向7、入射THz波8。
具體實施例方式本發(fā)明的工作過程由工作在ITHz頻率附近的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器實例說明器件結(jié)構(gòu)和外磁場方向如圖I所示，表面等離子體波導(dǎo)由金屬壁與半導(dǎo)體柱陣列的間隙構(gòu)成，入射的THz波沿此波導(dǎo)傳輸，其偏振方向為TM波，即電場矢量方向在χ-y平面內(nèi)。從正向輸入端5入射的波視為正向傳輸,從反向輸入端6入射的波視為反向傳輸。半導(dǎo)體柱高大于100 μ m,柱寬60 μ m,相鄰柱中心間距為100 μ m,柱邊沿與金屬壁間距50 μ m,柱數(shù)量為15個。整個器件尺寸為I. 5mmX ImmXO. 5mm。半導(dǎo)體使用的是高電子遷移率材料——非摻雜銻化銦(InSb)，金屬壁材料選用常見金屬銅。InSb的在THz波段的介電性質(zhì)主要由載流子濃度N決定，而載流子濃度又強烈地依賴于溫度T，這一關(guān)系可以用經(jīng)驗公式N = 5. 76X IO14T15exp (-0. 26/(2X8. 625 X KT5X T)) (cnT3)描述。當(dāng)施加沿z方向的外磁場時，半導(dǎo)體中的載流子將做繞磁場回旋的螺旋運動，使得半導(dǎo)體在回旋頻率ω。處發(fā)生回旋共振，ω。正比于外磁場ω。= eB/m%B為磁感應(yīng)強度。此時半導(dǎo)體的介電函數(shù)將變?yōu)橐粋€非互易張量，這個張量表示為εχχ - isxy Oε= iexy εχχ O
_ O O式中各個張量元均是磁場強度、載流子濃度和入射電磁波頻率的函數(shù)。ε J ε χχ的大小反映了材料旋電性的強弱。因此，磁場和溫度都強烈地影響著材料的介電性質(zhì)，材料還顯示出很強的色散性質(zhì)。當(dāng)InSb處于160-220Κ溫度和O IT磁場范圍時，可以在
0.I 2ΤΗΖ頻段內(nèi)產(chǎn)生較強的旋電性。由于InSb材料的旋電性和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非對稱性，使得波導(dǎo)的時間反演對稱性被破壞，如圖2(a)所示，185Κ、0.4Τ條件下正負(fù)傳播方向上的波導(dǎo)色散曲線是不同的。又由于引入周期結(jié)構(gòu)，色散曲線還在THz波段表現(xiàn)出顯著的光子帶隙特性，落在光子禁帶內(nèi)的 THz頻率將不能在波導(dǎo)中傳輸。如圖2(b)所示，模式I是一個沿著InSb柱右邊緣傳播的表面等離子體模式，模式2和4為InSb柱中的旋轉(zhuǎn)磁光模式,通過磁光稱合沿著一維InSb柱陣列傳播。這三個模式在空間上的局域性很弱，受到InSb柱的散射，在很短的傳播距離內(nèi)就大量泄露到右側(cè)的空氣中，不能在波導(dǎo)中穩(wěn)定傳輸。只有模式3被很好地限制在InSb柱陣列左邊緣和金屬壁之間的波導(dǎo)中，是可以穩(wěn)定地支持THz波在波導(dǎo)中傳輸?shù)拇疟砻娴入x子體模式。更重要的是，模式3在正向和反向傳輸方向上對應(yīng)的頻帶有顯著的不同，
1.15-1. 25ΤΗζ范圍內(nèi)可以實現(xiàn)單向傳輸功能，而對于不同外磁場和溫度下，InSb的介電張量發(fā)生變化，磁表面等離子體模式對應(yīng)的頻帶發(fā)生移動，器件可以實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧功能。185Κ溫度、不同磁場下該隔離器的正向與反向傳輸譜如圖3所示，隔離度譜線如圖4所示。以185Κ溫度O. 4Τ外磁場譜線為例分析，對于正向輸入端，在I. 17-1.25ΤΗΖ處有一個高透過率通帶，最大透過率95%。反向波在整個1-1. 5ΤΗζ頻段的透過率都很低。30dB隔離度帶寬超過了 80GHz,而其中最大隔離度高達(dá)90dB,插入損耗小于O. 25dB,從而很好地實現(xiàn)了單向傳輸功能。如圖3(a)所示，隨著外磁場的增加，傳輸譜的通帶向低頻移動，帶寬增大。又如圖4所示，當(dāng)磁場從O. IT增大到O. 7T，隔離度譜線的中心頻率從I. 42THz移動到l.OTHz。在這一過程中，隔離度譜線的30dB帶寬基本保持80GHz不變。圖5顯示了器件在不同頻率上的單向傳輸?shù)姆€(wěn)態(tài)電磁場分布。對于I. 18THz，正向波可以通過，反向波不能通過，這是由磁表面等離子體模式的非互易傳輸特性決定的；對于I. 28THz，正向和反向波都不能通過，這是由波導(dǎo)的光子禁帶決定的。圖6顯示了 195K溫度下O. 8，1.0，1.2，1.4THz工作頻率下傳輸透過率隨外磁場變化的關(guān)系。隨著磁場的增加，透過率升高達(dá)到峰值，不同頻率下的正向透過率峰對應(yīng)的磁場是不同的，外磁場越高對應(yīng)工作頻率越低。其次，圖 顯示了固定頻率I. 2THz在0，1，2，3，4T外磁場下傳輸透過率隨溫度變化的關(guān)系，更低的工作溫度對應(yīng)著更小的磁場使得器件達(dá)到最大隔離度。因此，外磁場和工作溫度都強烈地影響著該器件的單向傳輸性能，這一隔離器的工作頻帶可以通過外磁場和溫度來進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1.一種磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器，其特征在于包括金屬壁(I)、半導(dǎo)體柱陣列(2)、表面等離子體波導(dǎo)(3)、半導(dǎo)體襯底(4)、正向輸入端(5)、反向輸入端(6)、外磁場⑵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁表面等離子 體波導(dǎo)太赫茲隔離器，其特征在于半導(dǎo)體柱陣列(2)為多行單列一維周期性排列的方形柱線陣列，柱高大于200μπι，柱寬60μπι，相鄰柱中心間距為100 μ m,柱邊沿與金屬壁間距50 μ m,半導(dǎo)體柱數(shù)量不少于15個。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器，其特征在于表面等離子體波導(dǎo)(3)由金屬壁(I)與半導(dǎo)體柱陣列(2)之間的空氣間隙構(gòu)成，太赫茲波沿此波導(dǎo)傳輸，波導(dǎo)一側(cè)為金屬反射邊界，另一側(cè)為半導(dǎo)體柱與空氣交替組成的散射邊界，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有非對稱性、周期性和模式選擇特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器，其特征在于金屬壁(I)使用的材料是銅、鋁、銀、金等高電導(dǎo)率金屬材料，半導(dǎo)體柱陣列⑵和半導(dǎo)體襯底⑷采用高電子遷移率半導(dǎo)體材料——非摻雜銻化銦，該器件制作方法為在非摻雜銻化銦晶圓上使用離子束深度蝕刻工藝成型高度大于200 μ m的一列正方形銻化銦柱和一個臺階，再采用掩膜和濺射鍍膜工藝將臺階及其側(cè)壁鍍上厚度大于IOOnm金屬膜形成金屬壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器和權(quán)利要求3所述的表面等離子體波導(dǎo)(3)的結(jié)構(gòu)特征，其特征在于在施加外磁場(7)條件下，表面等離子體波導(dǎo)(3)中將產(chǎn)生一個磁表面等離子體模式，僅有此模式在該波導(dǎo)(3)中穩(wěn)定存在并單向傳輸，其他模式被散射掉，這是該器件工作的基礎(chǔ)，且此模式的頻率位置依賴于外磁場和環(huán)境溫度的大小。
6.一種使用權(quán)利I所述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的調(diào)控方法，其特征在于施加沿半導(dǎo)體柱(2)軸線方向的外磁場(7)，磁場可小于IT(單位T，特斯拉)，器件所處環(huán)境溫度為160 220K，在此工作條件下，器件工作頻段位于太赫茲波段，位于工作頻段內(nèi)的太赫茲波以橫磁(TM)偏振模的形式入射,從器件正向輸入端(5)輸入可獲得高效輸出，而從反向輸入端(6)輸入則不能從該器件輸出。
7.根據(jù)權(quán)利6所述的磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器的調(diào)控方法，其特征在于通過改變外磁場和環(huán)境溫度大小改變磁表面等離子體模式的頻率位置，從而靈活地調(diào)控器件中心工作頻率在恒定溫度下，增大外磁場，工作頻段向低頻移動；在固定工作頻率下，環(huán)境溫度越高，所需施加的外磁場越大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁表面等離子體波導(dǎo)太赫茲隔離器裝置及其控制方法。本發(fā)明由金屬壁與半導(dǎo)體銻化銦柱陣列構(gòu)成非對稱、周期性結(jié)構(gòu)的表面等離子體波導(dǎo)。通過在低溫下施加外磁場，銻化銦表現(xiàn)出旋電性質(zhì)，該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生磁表面等離子體模式，實現(xiàn)對太赫茲波單向隔離傳輸?shù)墓δ?。本發(fā)明的單向傳輸工作頻段高于1THz，帶寬大于80GHz，其隔離度達(dá)90dB，插入損耗低于0.25dB，工作頻段可通過外磁場強度控制進(jìn)行調(diào)諧。在185K溫度下，通過調(diào)節(jié)外磁場從0.1T到0.7T，可使器件單向傳輸頻帶的中心工作頻率從1.42THz調(diào)諧到1THz。這種低損耗、高隔離度、寬帶可調(diào)諧的太赫茲隔離器可以減小太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中的回波與散射噪聲，改善太赫茲光束傳輸質(zhì)量。
文檔編號H01P1/36GK102916238SQ20121043823
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者范飛, 常勝江 申請人:南開大學(xué)