硅基超材料太赫茲波電光調制器

胡廣堯，文天龍，張懷武

電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室, 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和微觀光子學相關研究的一些特點，同時又表現出一系列不同于其他波段電磁輻射的獨特性質，故太赫茲波段的研究成為多科學領域互相融合的巨大推手[1]。太赫茲波段相關研究雖對多學科的發展都有益處，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、半導體技術等的發展，填補了太赫茲源及相關器件的缺乏，使太赫茲輻射的性質與產生的相關研究也得到了快速發展。太赫茲相關科學與技術研究日新月異, 除傳統太赫茲探測、太赫茲源與太赫茲成像相關研究外，太赫茲技術在無損檢測、通信雷達、材料表征等方面的應用都得到了全面且快速的發展[3-6]。

電磁超材料同樣是在過去十幾年間產生了新的研究方向，電磁超材料具有已知材料未有的獨特電磁特性，這些特殊性質吸引了無數學者為之付出努力[7-8]?，F在超材料相關研究經過多年的發展已遠不止于實現負介電常數、負磁導率、負折射率[9-10]這些性質，也不僅是為了實現“左手材料”[11]概念，近年來學者們提出了超表面、超器件[12]等全新概念，超材料的相關研究還在持續發展。

本文設計了一種超材料結構的太赫茲波電光調制器。使用超材料結構加載電壓，實現諧振環開口處的強電場控制激光照射硅產生的光生載流子，從而實現太赫茲波的快速調制。

1 超材料太赫茲調制器工作原理

本文的超材料太赫茲波電光調制器原理圖如圖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構及背電壓加載電壓，太赫茲波垂直于超材料結構表面入射并穿過器件。

圖1 超材料太赫茲波電光調制器示意圖

當激光照射在超材料表面時，若入射光子能量hν大于硅基底的禁帶寬度1.12 eV，硅基中會產生大量光生載流子。本文使用638 nm波長的激光(光子能量1.94 eV)激發光生載流子。該太赫茲波電光調制器的本質是通過電壓控制恒定激光照射下光生載流子的穩定濃度。由于雙開口諧振環的開口處間隙極小，當超材料結構電極處加載一定電壓時，開口處會產生極強的電場，從而讓光生載流子發生漂移。通過超材料結構的金屬電極抽走光生載流子，從而改變雙開口諧振環開口處的載流子濃度，改變硅基底表層的電導率和介電常數，使太赫茲波的透射率發生變化，實現對太赫茲波的調制。

2 超材料電磁仿真及調制器制作

超材料陣列作為太赫茲調制器的核心單元，其結構直接決定了調制器的插入損耗及調制帶寬。本文中太赫茲超材料的結構參數通過電磁仿真確定，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單元串聯成為超材料陣列。圖中a、b為雙開口諧振環的長和寬，c為諧振單元的寬度，d為串聯單元金屬線的線寬，l為雙開口諧振環到串聯金屬線的間距，w為諧振環的線寬，g為諧振環開口間隙寬度。

圖2 雙開口諧振環單元結構示意圖

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S21參數仿真，優化諧振單元結構參數確定如下：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構的參數后，基于光刻濺射剝離微細加工工藝完成了太赫茲調制器的制作。工藝步驟如下：

1) 使用N型雜質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構圖形。

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構陣列區域及電極區域。

4) 將有超材料結構的正面電極區域接出導線，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，完成該太赫茲調制器的制作。

3 超材料太赫茲調制器表征

3.1 超材料太赫茲調制器光譜響應性能表征

超材料結構性能最基本的指標是超材料的光譜響應曲線。本文超材料太赫茲調制器采用Fico太赫茲時域光譜儀進行測試，測試時器件在常溫常壓下不連接任何外電路且無激光照射。實際樣品的太赫茲透射曲線與仿真結果的對比如圖3所示。由圖可見，測試與仿真結果的透射圖譜基本一致，器件超材料結構達到仿真設計要求。

圖3 器件仿真S21參數與實驗透射率對比圖

3.2 超材料太赫茲調制器動態調制測試表征

3.2.1 超材料太赫茲調制器動態調制的調制深度表征

動態調制系統由0.34 THz太赫茲源、肖特基太赫茲波探測器、示波器及樣品臺等部分組成。0.34 THz的太赫茲波信號經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時太赫茲波信號強度。動態測試示意圖如圖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為信號發生器產生的方波電壓，使用V2作為調制信號。

用調制深度Dm表征太赫茲超材料調制器的調制性能，且

Dm=(Ivoff-Ivon)/Ivoff×100%

(1)

式中：Ivoff為無外加激勵時的太赫茲信號強度；Ivon為加入調制電壓信號時的太赫茲信號強度。

將500 mW的638 nm激光照射在器件表面超材料結構處，V1為恒定電壓，V2為偏置的方波電壓調制信號(低電平為0，高電平為V2，頻率為1 kHz)。當V1=9 V時，V2對透射太赫茲波的調制達到最大。當V2峰-峰值分別為4 V、6 V、8 V時(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，超材料金屬環開口處電場的變化逐漸增強。當V2為低電平時，電場最強，光生載流子發生漂移，并被外電路抽走，太赫茲波透射率較高；當V2為高電平時，電場最弱，光生載流子漂移降低，光生載流子濃度較V2低電平時高，太赫茲波透射率降低。因此，在V2調制電壓的作用下，透射太赫茲波的強度被調制。當V2變得更大時，器件的Dm也變大。當V1接恒定負電壓時，太赫茲波調制在V1=-3 V時達到最大調制深度，其調制如圖5(b)所示，當調制電壓V2峰-峰值為4 V、6 V、8 V時，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，動態測試結果

由于圖5中加載V1的電壓方向不同，調制的效果也不同。當V1為恒定正電壓時，隨著V2峰-峰值的逐漸變大，超材料金屬環開口處電勢差逐漸下降，從而減小了開口處的電場，降低了器件對于光生載流子的輸運能力，導致太赫茲波的透射率隨著方波電壓峰-峰值的變大而減小。這里增大調制電壓信號V2峰-峰值，雖然增大了Dm，但同樣也增大了調制器件的插入損耗。當V1為恒定負電壓時，隨著V2峰-峰值的逐漸變大，超材料金屬環開口處電勢差逐漸上升，增強了開口處的電場。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 超材料太赫茲調制器動態調制-3 dB調制速度表征

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

圖6 -3 dB調制速度圖

4 結束語

本文基于硅基超材料結構，設計制造了一款在0.34 THz下的常溫太赫茲調制器。該調制器通過小電壓調制信號控制，且電壓信號直接加載在超材料結構處。通過恒定激光照射且外加電壓調制信號的條件下，調制深度可達50%,同時調制速度達到30 kHz。