2017, Vol. 39
Issue (5): 70-73
2. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093;
3. 上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程中心, 上海 200093
2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
3. Engineering Research Center of Optical Instrument and System(MOE), University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
太赫兹(Terahertz)波介于微波和可见光之间, 一般是指频率在0.1~10.0 THz之间的波段[1], 也是电子学向光子学的过渡区域, 有重要的学术和应用研究价值[2-3]。由于独特的相干性、宽带性、低光子能量、瞬态性以及对人体无害等特性, 太赫兹波及相关器件在光谱学、成像、分子传感、高速通信、生物医药以及其他相关领域具有广泛的潜在应用[4-7]。但是, 很长的一段时间里, 在THz波段大多数材料的光学波谱特性存在不足以致于太赫兹器件的发展较慢, 随着超材料[8]的蓬勃发展, 各种太赫兹器件得到了重视并有了较大的研究进展, 如作用在太赫兹波段的线栅偏振器、传感器、滤波器、吸波器等[9-12]。
本文提出了一种采用半导体材料GaAs的太赫兹温控可调谐滤波器, 基于光栅结构的表面等离子体激元耦合, 以获得更好的滤波效果。通过软件对结构进行模拟仿真, 在225~325 K的温度变化范围内, 滤波器可以工作在0.35~1.51 THz, 带宽为1.16 THz可调谐的滤波范围。
1 材料特性及结构设计对于有损耗材料的介电常数ε=ε′+ε″都是由实部和虚部组成, 例如金属和半导体材料都是如此。Drude模型可以很好的描述金属的复介电常数, 对于半导体的复介电常数, 用Drude模型对其进行描述[13]:
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(1) |
式中:ε∞为背景极化的高频介电常数, 数值大小一般在0.1~1之间; γ表示阻尼系数; ω为入射电磁波的角频率; ωp为半导体的表面等离子体频率。ωp又可表示为:
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(2) |
式中:e为元电荷; N为半导体的自由载流子浓度; ε0为自由空间介电常数; m*为电荷的有效质量, 数值大小一般在0.1~1之间。一般情况下, 半导体的等离子体频率ωp在THz频段内。γ和载流子的迁移率μ有关:
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(3) |
从式(1)~(3)可以看出半导体的介电常数和载流子的浓度与迁移率有关。对于半导体而言, 可以通过改变半导体的掺杂浓度来调节它的介电常数, 进而实现对表面等离子体激元(surface plasmon polaritons, SPPs)特性的调控。对于半导体, 其载流子浓度和温度有如下关系:
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(4) |
相比于金属而言, 半导体载流子浓度的变化对温度十分敏感, 可以通过温变的方法调控半导体的载流子的浓度和迁移率的方法来激发SPPs达到滤波器的滤波效果。
本文中, 我们对基本半导体GaAs的微结构的太赫兹滤波器进行研究。对于半导体GaAs, ε∞=12.85, m*=0.063m0(m0表示电子质量), 我们可以模拟计算出其在0.1~3.0 THz频段随温度变化的复介电常数, 如图 1、2所示。从图中可以看出, 在太赫兹波段, 随着温度的升高, GaAs的载流子浓度会发生相应的改变, 其介电常数的实部数值会随着温度的升高而下降, 相反虚部的数值会随着温度的升高而升高, 相同的是, 实部和虚部的数值都会随着频率的变化而急剧变化, 但最终都会趋近于0。
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图 1 GaAs的介电常数实部数值 Figure 1 Real part of the permittivity of GaAs |
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图 2 GaAs的介电常数虚部数值 Figure 2 Imaginary part of the permittivity of GaAs |
由于GaAs对温度十分敏感, 在一定范围内, 其介电常数易随温度变化而改变, 可将其用来做构造微结构的主要材料来研究可调谐的太赫兹滤波器。光栅结构具有较好的耦合效果, 文中设计的太赫兹滤波器是基于光栅结构。图 3为太赫兹滤波器的光栅结构, 底层为厚度仅40 μm的二氧化硅玻璃层, 中间层为在太赫兹波段对温度十分敏感的半导体材料GaAs, 厚度8 μm, 光栅结构的最上层部分为金属铜, 厚度5 μm, 光栅结构的周期T=40 μm, 占空比为0.5。金属铜的介电常数几乎不受温度的影响, 且金属对太赫兹波表现出了较好的吸收效果。
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图 3 光栅结构的太赫兹滤波器 Figure 3 THz filter based on grating structure |
在本文的结构中, 我们用CST STUDIO SUITE软件有限时域差分法进行模拟仿真。TM模式的THz波垂直光栅表面入射, 设定温度分别在225, 250, 275, 300, 325 K以改变半导体材料GaAs的介电常数特性, 进而影响到滤波器的滤波效果。对模拟得到的数值进行统计, 得到滤波器的滤波效果如图 4所示, 从左到右分别对应225, 250, 275, 300, 325 K时的滤波效果。在225~325 K的温度变化范围内, 对应的中心频率可调谐范围从0.35~1.51 THz, 可调谐的带宽达到1.16 THz, 同时, 对应的透过率也会随着温度的上升而从95%小幅下降到87%, 半峰宽也表现得较为理想。
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图 4 光栅滤波器分别对应225, 250, 275, 300, 325 K的THz波透过率 Figure 4 Transmittance of the grating filter corresponding to 225, 250, 275, 300 and 325 K |
随着温度的上升, 半导体砷化镓内的载流子浓度上升, 随之影响等离子体的频率上升, 这样透过率峰值对应的中心频率(即共振频率)就会出现蓝移的现象。模拟得到的结果表明设计的太赫兹滤波器具有很高的透过率以及较好的半峰宽和可调谐范围。
3 结语本文采用半导体材料砷化镓作为主要构成材料, 理论分析计算了材料的介电常数特性, 以光栅为结构基础, 设计出太赫兹频段的光栅滤波器。经过模拟仿真, 当温度在225~325 K范围内变化时, 对应滤波的可调谐范围达到0.35~1.51 THz的1.16 THz的带宽, 同时, 还表现出了良好的半峰宽特性。随着微纳器件加工工艺的进步与发展, 该结构能很好地运用到太赫兹领域并为太赫兹的发展起到关键的作用。
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