一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太赫茲成像領(lǐng)域技術(shù)，涉及太赫茲成像相關(guān)領(lǐng)域的調(diào)制器件，具體提供一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，包括半導(dǎo)體激光器、光纖、光纖調(diào)制器及太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過光纖耦合進(jìn)入光纖調(diào)制器；其特征在于，所述太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)由硅基底層及其表面的硅納米針尖陣列構(gòu)成，所述光纖調(diào)制器輸出調(diào)制激光入射到硅納米針尖陣列表面。本發(fā)明采用硅納米針尖陣列和高阻硅/本征硅層的雙層結(jié)構(gòu)；硅納米針尖陣列的在高阻硅/本征硅的表面形成折射率的梯度變化，能夠同時(shí)降低太赫茲波和泵浦激光的反射，顯著降低器件插損和提高對泵浦激光的利用率，實(shí)現(xiàn)器件在較小的泵浦激光功率下獲得相對較高的調(diào)制深度。
【專利說明】
一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及太赫茲成像和通信相關(guān)領(lǐng)域的信號幅度調(diào)制器件，具體為一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波是頻率在0.lTHz-lOTHz之間的電磁波;太赫茲輻射作為一種電磁波，與可見光、X射線、紅外、超聲波等一樣可以作為物體成像的信號源。其原理是利用成像系統(tǒng)將所記錄下來的樣品的透射譜或反射譜信息(包括振幅相位的二維信息)進(jìn)行分析和處理，最后得到樣品的太赫茲圖像。太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)成為太赫茲科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，在探測成像、人體安檢、物質(zhì)識別、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
[0003]對于太赫茲成像設(shè)備而言，速度和圖像清晰度被視作最終應(yīng)用太赫茲成像儀的關(guān)鍵步驟;實(shí)現(xiàn)該關(guān)鍵步驟的核心是開發(fā)出一種可以產(chǎn)生高效掩膜(類似相機(jī)的光圈)的技術(shù)，具備調(diào)諧太赫茲輻射以便在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生清晰圖像的能力。空間型太赫茲波調(diào)制器應(yīng)運(yùn)而生，為了提升成像清晰度，空間調(diào)控應(yīng)當(dāng)具有足夠大的調(diào)控深度和極低的插入損耗，才能使探測器產(chǎn)生足夠響應(yīng)的信號，達(dá)到滿足成像要求的信噪比;然而在太赫茲頻段，絕大多數(shù)自然物質(zhì)對太赫茲電磁波缺乏有效的電磁響應(yīng);基礎(chǔ)材料的缺乏導(dǎo)致空間型太赫茲調(diào)制器在速率、深度、插損和CMOS兼容性等方面均受到限制，無法滿足太赫茲成像技術(shù)的需要。
[0004]2013 年，文獻(xiàn)“Z.W.Xie, Spatial Terahertz Modulator ,Scientific Reports, 3:3347,2013”公開一種利用高阻硅片(HR-Si)構(gòu)建了一種光控的空間型太赫茲調(diào)制器，其機(jī)理是利用了光生載流子對太赫茲波的吸收作用;高阻硅或者本征硅中平衡載流子濃度非常低，對太赫茲波沒有顯著吸收;但當(dāng)用一定波長的激光照射硅片時(shí)，被照射的區(qū)域產(chǎn)生光生載流子，由于光生載流子對太赫茲波的吸收作用，因而形成了對于太赫茲波的低透射區(qū)域。因此，利用傳統(tǒng)的空間光調(diào)制器(SLM)對激光束進(jìn)行空間調(diào)制，調(diào)制過后的激光將會被照射在硅片上，形成低透和高透兩種不同的區(qū)域(或者格子)，通過改變光投影的圖案，實(shí)現(xiàn)格子的獨(dú)立同步編碼變換，從而可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的空間編碼調(diào)控。但是，硅片的折射率高達(dá)3.4，無論是激光或者太赫茲波，入射到硅片上都會產(chǎn)生嚴(yán)重的反射，對太赫茲波的反射達(dá)到35%-50%，對激光的反射也高達(dá)40%以上；因此器件的太赫茲損耗非常大，上述所報(bào)道的高阻硅片空間型太赫茲調(diào)制器的太赫茲透射率僅僅只有50%，在目前太赫茲輻射源功率普遍較低(微瓦到幾毫瓦)的情況下尤為不利；另一方面，也需要提供更大的激光功率以便獲得達(dá)到實(shí)用要求的太赫茲調(diào)制效果。如何同時(shí)降低對激光和太赫茲波的反射，對于提高光控太赫茲空間調(diào)制具有重要的意義和價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出了一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，本發(fā)明的核心是通過化學(xué)刻蝕方法在高阻娃/本征娃的表面制備出適當(dāng)長度的娃納米針(Nano-Tips)，從而構(gòu)成了娃納米針層和高阻娃/本征娃層的雙層結(jié)構(gòu)。該雙層結(jié)構(gòu)在300nm-1OOOnm波長的栗浦激光作用下產(chǎn)生光生載流子，對太赫茲波幅度產(chǎn)生吸收，因而通過調(diào)制栗浦激光功率即可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲波幅度調(diào)制，形成了一種光控太赫茲波幅度調(diào)制器。高阻硅/本征硅層的作用是在栗浦激光作用下產(chǎn)生非平衡載流子的，實(shí)現(xiàn)對太赫茲波透射幅度的調(diào)制;而納米針層的主要作用是在高阻硅/本征硅的表面形成折射率的梯度變化，能夠同時(shí)降低太赫茲波和栗浦激光的反射，顯著降低器件插損和提高對栗浦激光的利用率，實(shí)現(xiàn)器件在較小的栗浦激光功率下獲得相對較高的調(diào)制深度。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，包括半導(dǎo)體激光器、光纖、光纖調(diào)制器及太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過光纖耦合進(jìn)入光纖調(diào)制器;其特征在于，所述太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)由硅基底層及其表面的硅納米針尖陣列構(gòu)成，所述光纖調(diào)制器輸出調(diào)制栗浦激光入射到硅納米針尖陣列表面。
[0008]進(jìn)一步的，所述的硅基底層采用是高阻硅或者本征硅，其電阻率多1000Ω._，厚度為300μηι以上。
[0009]所述的硅納米針陣列為上細(xì)下粗的垂直針狀結(jié)構(gòu)陣列，每一根納米針的直徑<lOOnm、高度為Ιμπι?20μηι;該娃納米陣列由上述娃基底層通過納米加工工藝制備而成，娃納米針的制備主要采用化學(xué)刻蝕法。
[0010]所述半導(dǎo)體激光器的輸出波長為300nm?lOOOnm，激光強(qiáng)度為300mW以上;光纖采用與半導(dǎo)體激光器相匹配的光纖，用于將半導(dǎo)體激光器和光纖調(diào)制器相耦合;光纖調(diào)制器是對光纖輸出的激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，產(chǎn)生強(qiáng)弱變化的調(diào)制激光，調(diào)制激光的峰值強(qiáng)度達(dá)到50mW/cm2以上以保證獲得較大的調(diào)制深度，調(diào)制激光的光斑面積應(yīng)該完全覆蓋需要調(diào)制的太赫茲波束的面積。
[0011]本發(fā)明提供的基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器，其核心為采用硅納米針尖陣列和硅基底層的雙層結(jié)構(gòu)，同時(shí)達(dá)到降低太赫茲調(diào)制器的插損和提高調(diào)制深度的效果。從原理上講，空氣的折射率為I，硅的折射率為3.4，根據(jù)電磁波理論，可以計(jì)算得到太赫茲波的反射率達(dá)到40%_50%以上;而硅納米針結(jié)構(gòu)在硅片表面形成一種折射率梯度漸變結(jié)構(gòu)(從空氣折射率I漸變?yōu)楣枵凵渎?.4)，由電磁波理論可知，漸變折射率結(jié)構(gòu)消除了材料間突變界面，太赫茲波幾乎不反射而進(jìn)入納米針內(nèi)部，由于高阻硅對太赫茲波的吸收非常小，因而該雙層結(jié)構(gòu)對太赫茲波高度透明；而當(dāng)激光(波長300nm?100nm)輻照Si基底時(shí)，Si內(nèi)部電子受激躍迀，產(chǎn)生光生電子-空穴對，對太赫茲波產(chǎn)生吸收，因而太赫茲波透射下降，且太赫茲波的透射強(qiáng)度隨著激光功率的增加而下降。同時(shí)，對于普通Si片，對激光的反射率為40 % -50 %及以上(吸收率僅為50 %~60%),而硅納米針尖陣列對激光的反射率低于10 %，因此90%以上的激光能夠被Si片吸收，即在相同的激光功率下，本發(fā)明基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器具有更大的調(diào)制深度。
[0012]綜上，本發(fā)明的發(fā)明效果在于:
[0013]1.本發(fā)明提出基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器具有極低的插入損耗，太赫茲透射達(dá)到95%以上，插損低至0.23dB，遠(yuǎn)優(yōu)于半導(dǎo)體Si和其他的太赫茲波調(diào)制器件。
[0014]2.本發(fā)明提出基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器具有較好的激光吸收特性，吸收率能夠達(dá)到80%以上，因此在同樣激光功率下，器件相對于高阻Si片具有更大的調(diào)制深度。
[0015]3.本發(fā)明提出基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡單，制備工藝簡單，制備成本低，可制成大尺寸器件，且與CMOS工藝兼容，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為硅基底層、2為硅納米針尖陣列、3為半導(dǎo)體激光器、4為光纖、5為光纖調(diào)制器、6為調(diào)制激光、7為太赫茲波源、8為太赫茲波束、9為太赫茲波探測器。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中硅納米針尖陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)斷面圖。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中不同長度硅納米針樣品的紫外-可見-紅外光譜測試曲線，其中以BaSO4的反射曲線作為參考。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中所使用的高阻Si片的TDS譜隨栗浦激光功率變化曲線。
[0020]圖5是本發(fā)明制備各長度納米針的太赫茲調(diào)制器的TDS譜隨栗浦激光功率變化曲線。
[0021]圖6是在340GHz載波下，高阻Si調(diào)制器與本實(shí)施例制備基于硅納米針光控太赫茲波調(diào)制器(不同長度納米針)的太赫茲波透射率隨栗浦激光功率的變化曲線。
[0022]圖7是高阻Si調(diào)制器與本實(shí)施例制備基于硅納米針光控太赫茲波調(diào)制器(不同長度納米針)的太赫茲波調(diào)制深度隨栗浦激光功率的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]本實(shí)施例中提供基于硅納米針的光控太赫茲波調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括半導(dǎo)體激光器3、光纖4、光纖調(diào)制器5及太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體激光器3產(chǎn)生的激光通過光纖4耦合進(jìn)入光纖調(diào)制器5;所述太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)由硅基底層I及其表面的硅納米針尖陣列2構(gòu)成，所述光纖調(diào)制器輸出調(diào)制激光6入射到硅納米針尖陣列表面;從而對太赫茲波源7所產(chǎn)生的太赫茲波束8產(chǎn)生透射調(diào)制作用，并被太赫茲波探測9所接收。
[0025]下面以長度為2.5μπι的硅納米針尖陣列說明上述調(diào)制器的制備和測試過程:
[0026]步驟一:硅納米針尖陣列制備過程:首先將高阻/本征硅片先后用丙酮、無水乙醇和去離子水分別超聲清洗10分鐘，用氮?dú)獯蹈?隨后，將硅片放入事先調(diào)配好的AgN03/HF溶液中浸泡60min，使Ag納米顆粒均勻覆在硅片表面，放入HF/H202混合溶液中進(jìn)行反應(yīng)，通過控制反應(yīng)時(shí)間獲得相應(yīng)長度的硅納米針；最后用去離子水和BOE溶液(體積之比為6:1的HF(40%)與NH3F(49%))去除表面多余金屬離子，用氮?dú)獯蹈?，即在Si片表面合成了致密排列的Si納米針陣列，如圖2所示。
[0027]步驟二:太赫茲時(shí)域光譜(TDS)測試:
[0028]1.打開太赫茲時(shí)域光譜(TDS)測試設(shè)備及其操作軟件，并等待設(shè)備的TDS峰峰值示數(shù)穩(wěn)定；
[0029]2.調(diào)節(jié)太赫茲發(fā)射器的位置，將其對準(zhǔn)事先準(zhǔn)備好的樣品架，并保存此時(shí)的TDS數(shù)據(jù)(空氣的TDS譜)作為參考數(shù)據(jù)；
[0030]3.將需要測試的硅納米針太赫茲波調(diào)制器樣品置于樣品架上，并將栗浦激光激光器對準(zhǔn)樣品(波長設(shè)定為915nm);
[0031]4.按照預(yù)先設(shè)定好的數(shù)值變換激光器功率，并分別保存下在各激光功率下的太赫茲時(shí)域光譜信號，通過傅里葉轉(zhuǎn)換獲得頻率光譜和太赫茲波透射譜，并利用Origin等數(shù)據(jù)處理軟件繪制成測試圖。
[0032]步驟三:太赫茲連續(xù)波收發(fā)系統(tǒng)測試:
[0033]1.按照原理圖搭建太赫茲連續(xù)波收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括:光學(xué)平臺，VDI的340G太赫茲連續(xù)源，VDI的WR2.8檢波器，樣品架，激光器，函數(shù)發(fā)生器，穩(wěn)壓電壓源，示波器；
[0034]2.測試過程:首先調(diào)節(jié)340G太赫茲源，樣品架和檢波器在同一直線上，并調(diào)節(jié)他們之間的距離使得太赫茲波穿過樣品架后獲得盡量大的輻射強(qiáng)度，記錄此時(shí)示波器的最大幅度值作為參考值;接著將納米針太赫茲波調(diào)制器置于樣品架上，記錄此時(shí)示波器顯示的最大幅度值。再將栗浦激光以大約15度角入射到調(diào)制器表面;按照預(yù)先設(shè)定好的程序從低到高增加栗浦激光功率，分別記錄下每一個(gè)功率照射時(shí)示波器顯示的最大幅度示數(shù);最后分析處理所得數(shù)據(jù)，用Origin數(shù)據(jù)處理軟件繪制出所需測試圖。
[0035]圖3所示為本實(shí)施例所使用的高阻Si片與本實(shí)施例制備的硅納米針樣品(不同長度納米針)的紫外-可見-紅外光譜測試曲線(以BaSO4為全反射參考)。從圖中可以看出硅納米針調(diào)制器的激光反射率低于高阻Si片的激光反射率，激光波長在約1050nm以下時(shí)硅納米針樣品對激光的反射率均低于20%，有明顯的降低激光反射的作用，而激光并不能穿透高阻Si和硅納米針樣品，被減小的這一部分反射只能是被硅納米針結(jié)構(gòu)吸收了，那么硅納米針對于激光的吸收就可以達(dá)到80%以上；可見，硅納米針尖陣列結(jié)構(gòu)相對于高阻Si片有明顯的增強(qiáng)激光吸收的作用。
[0036]圖4所示為與本實(shí)施例同一批次的高阻Si片在栗浦激光波長設(shè)定為915nm時(shí)，分別在300mW、600mW、900mW功率照射下所得的TDS譜，從圖中可以看出，高阻Si片和空氣的TDS譜相比有一定的相位延遲，隨著激光功率的增大硅片的TDS譜幅度減小，當(dāng)激光功率達(dá)到900mW時(shí)，TDS譜的幅度的減小已經(jīng)比較明顯，光控高阻Si片對太赫茲波幅度有一定的調(diào)制作用。
[0037]圖5所示為本實(shí)施例在栗浦激光波長設(shè)定為915nm時(shí)，分別在300mW、600mW、900m W功率下照射2.5μπι納米針長度的硅納米針樣品所得的TDS譜；同樣的，從圖中可以看出硅納米針和空氣的TDS譜相比有一定的相位延遲，隨著激光功率的增大其TDS譜幅度減小，這種減小相比高阻Si片要更加明顯，當(dāng)激光功率達(dá)到900mW時(shí)，TDS譜的幅度減小已經(jīng)非常明顯；對比圖4和圖5還可以看出，納米針尖陣列對于太赫茲波有明顯的透射增強(qiáng)作用。
[0038]圖6所示為本實(shí)施例在栗浦激光波長設(shè)定為915nm時(shí)，基于硅納米針的光控太赫茲調(diào)制器(不同長度納米針)與高阻Si調(diào)制器的太赫茲波透射率隨栗浦激光功率的變化曲線；當(dāng)激光功率為0mW(即不使用激光照射)時(shí)，2.5μπι和5μπι納米針器件透射率達(dá)到85%以上，10μπι器件透射率達(dá)到95%以上，這相對于透射率在65%左右的高阻Si有比較明顯的增透效果;可見納米針越長的樣品在相同激光功率照射下所獲得的透射率越大；隨著激光功率的增加各長度的硅納米針調(diào)制器的透射率降低，這與TDS測試結(jié)果以及調(diào)制原理相符合;相對于激光功率較大時(shí)，激光功率較小時(shí)的調(diào)制深度變化更為明顯，可見該器件適用于低激光功率時(shí)的光控調(diào)制器。
[0039]圖7所示為本實(shí)施例在栗浦激光波長設(shè)定為915nm時(shí)，高阻Si片和硅納米針器件(不同長度納米針)的太赫茲波調(diào)制深度隨栗浦激光功率變化曲線;從圖中可以看出當(dāng)激光功率較低時(shí)(低于400mW)，2.5ym納米針器件和5μπι納米針器件相較于同激光功率下的高阻Si片，其調(diào)制深度有一定的增加;但是當(dāng)納米針長度超過ΙΟμπι時(shí)，調(diào)制深度低于高阻Si片；過長的納米針雖然減小了器件對激光的反射，增加了器件對激光的吸收，但是也阻擋了一部分激光照射到高阻Si基底上;這會造成光生載流子數(shù)量減少，在一定程度上影響調(diào)制深度。納米針較長的器件增透效果明顯而納米針較短的器件調(diào)制深度更大，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要去調(diào)整硅納米針長度就顯得尤為重要;在對透射要求高的場合可以適當(dāng)增加納米針長度，使得透射率增大到95%以上;在對調(diào)制深度要求高的場合可以使用較短且適當(dāng)?shù)募{米針長度的硅納米針調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，100-400mW/cm2的低栗浦激光功率下比硅片調(diào)制深度提尚5%左右ο
[0040]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，包括半導(dǎo)體激光器、光纖、光纖調(diào)制器及太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過光纖耦合進(jìn)入光纖調(diào)制器；其特征在于，所述太赫茲幅度調(diào)制結(jié)構(gòu)是由硅基底層及其表面的硅納米針尖陣列構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)，所述光纖調(diào)制器輸出調(diào)制栗浦激光入射到硅納米針尖陣列表面。2.按權(quán)利要求1所述基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，其特征在于，所述的硅納米針陣列為上細(xì)下粗的垂直針狀結(jié)構(gòu)陣列，每一根納米針的直徑< lOOnm、高度為Ιμπι?.2 Oum ο3.按權(quán)利要求1所述基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，其特征在于，所述的硅基底層采用是高阻硅或者本征硅，其電阻率彡1000 Ω.cm，厚度為ΙΟΟμπι以上。4.按權(quán)利要求1所述基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器的輸出波長為300nm?lOOOnm，激光強(qiáng)度為300mW以上。5.按權(quán)利要求1所述基于硅納米針的光控太赫茲波幅度調(diào)制器，其特征在于，所述光控太赫茲幅度調(diào)制器具備太赫茲波增透效果，太赫茲波透射達(dá)到95%，器件總插損低于.0.23dBo
【文檔編號】H01S1/02GK105914565SQ201610533950
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】文岐業(yè), 劉浩天, 史中偉, 楊青慧, 文天龍, 陳智, 荊玉蘭, 張懷武
【申請人】電子科技大學(xué)