基于半導體的可調諧太赫茲濾波器研究

黃 甜, 劉 琪, 王 琦, 張大偉

(1.上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室, 上海 200093;2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海 200093;3.上海理工大學 教育部光學儀器與系統工程中心,上海 200093)

基于半導體的可調諧太赫茲濾波器研究

黃 甜1,2,3, 劉 琪1,2,3, 王 琦1,2,3, 張大偉1,2,3

(1.上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室, 上海 200093;2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海 200093;3.上海理工大學 教育部光學儀器與系統工程中心,上海 200093)

太赫茲濾波器在通信、傳感、成像等領域有著廣泛的應用。提出了一個基于半導體材料砷化鎵的周期性微結構可調諧太赫茲濾波器,并對半導體材料的電介質特性以及微結構的太赫茲濾波特性進行模擬研究。提出了基于光柵結構的太赫茲濾波器,用CST軟件時域有限差分法(FDTD)進行模擬仿真,0.1～5.0 THz頻段的太赫茲波垂直入射光柵表面,在225～325 K范圍內可獲得工作頻率為0.35～1.51 THz,1.16 THz的濾波帶寬,同時保持透過率在85%以上,這對太赫茲濾波器的濾波帶寬和透過率的提升具有重大意義。

半導體材料; 太赫茲濾波器; 溫控可調諧; 微結構; 有限時域差分法

引 言

太赫茲(Terahertz)波介于微波和可見光之間,一般是指頻率在0.1～10.0 THz之間的波段[1],也是電子學向光子學的過渡區域,有重要的學術和應用研究價值[2-3]。由于獨特的相干性、寬帶性、低光子能量、瞬態性以及對人體無害等特性,太赫茲波及相關器件在光譜學、成像、分子傳感、高速通信、生物醫藥以及其他相關領域具有廣泛的潛在應用[4-7]。但是,很長的一段時間里,在THz波段大多數材料的光學波譜特性存在不足以致于太赫茲器件的發展較慢,隨著超材料[8]的蓬勃發展,各種太赫茲器件得到了重視并有了較大的研究進展,如作用在太赫茲波段的線柵偏振器、傳感器、濾波器、吸波器等[9-12]。

本文提出了一種采用半導體材料GaAs的太赫茲溫控可調諧濾波器,基于光柵結構的表面等離子體激元耦合,以獲得更好的濾波效果。通過軟件對結構進行模擬仿真,在225～325 K的溫度變化范圍內,濾波器可以工作在0.35～1.51 THz,帶寬為1.16 THz可調諧的濾波范圍。

1 材料特性及結構設計

對于有損耗材料的介電常數ε=ε′+ε″都是由實部和虛部組成,例如金屬和半導體材料都是如此。Drude模型可以很好的描述金屬的復介電常數,對于半導體的復介電常數,用Drude模型對其進行描述[13]:

(1)

式中:ε∞為背景極化的高頻介電常數,數值大小一般在0.1～1之間;γ表示阻尼系數;ω為入射電磁波的角頻率;ωp為半導體的表面等離子體頻率。ωp又可表示為:

(2)

式中:e為元電荷;N為半導體的自由載流子濃度;ε0為自由空間介電常數;m*為電荷的有效質量,數值大小一般在0.1～1之間。一般情況下,半導體的等離子體頻率ωp在THz頻段內。γ和載流子的遷移率μ有關:

γ=e/(m*μ)

(3)

從式(1)～(3)可以看出半導體的介電常數和載流子的濃度與遷移率有關。對于半導體而言,可以通過改變半導體的摻雜濃度來調節它的介電常數,進而實現對表面等離子體激元(surface plasmon polaritons,SPPs)特性的調控。對于半導體,其載流子濃度和溫度有如下關系:

(4)

相比于金屬而言,半導體載流子濃度的變化對溫度十分敏感,可以通過溫變的方法調控半導體的載流子的濃度和遷移率的方法來激發SPPs達到濾波器的濾波效果。

本文中,我們對基本半導體GaAs的微結構的太赫茲濾波器進行研究。對于半導體GaAs,ε∞=12.85,m*=0.063m0(m0表示電子質量),我們可以模擬計算出其在0.1～3.0 THz頻段隨溫度變化的復介電常數,如圖1、2所示。從圖中可以看出,在太赫茲波段,隨著溫度的升高,GaAs的載流子濃度會發生相應的改變,其介電常數的實部數值會隨著溫度的升高而下降,相反虛部的數值會隨著溫度的升高而升高,相同的是,實部和虛部的數值都會隨著頻率的變化而急劇變化,但最終都會趨近于0。

圖1 GaAs的介電常數實部數值Fig.1 Real part of the permittivity of GaAs

圖2 GaAs的介電常數虛部數值Fig.2 Imaginary part of the permittivity of GaAs

由于GaAs對溫度十分敏感,在一定范圍內,其介電常數易隨溫度變化而改變,可將其用來做構造微結構的主要材料來研究可調諧的太赫茲濾波器。光柵結構具有較好的耦合效果,文中設計的太赫茲濾波器是基于光柵結構。圖3為太赫茲濾波器的光柵結構,底層為厚度僅40 μm的二氧化硅玻璃層,中間層為在太赫茲波段對溫度十分敏感的半導體材料GaAs,厚度8 μm,光柵結構的最上層部分為金屬銅,厚度5 μm,光柵結構的周期T=40 μm,占空比為0.5。金屬銅的介電常數幾乎不受溫度的影響,且金屬對太赫茲波表現出了較好的吸收效果。

圖3 光柵結構的太赫茲濾波器Fig.3 THz filter based on grating structure

2 仿真結果和分析

在本文的結構中,我們用CST STUDIO SUITE 軟件有限時域差分法進行模擬仿真。TM模式的THz波垂直光柵表面入射,設定溫度分別在225,250,275,300,325 K以改變半導體材料GaAs的介電常數特性,進而影響到濾波器的濾波效果。對模擬得到的數值進行統計,得到濾波器的濾波效果如圖4所示,從左到右分別對應225,250,275,300,325 K時的濾波效果。在225～325 K的溫度變化范圍內,對應的中心頻率可調諧范圍從0.35～1.51 THz,可調諧的帶寬達到1.16 THz,同時,對應的透過率也會隨著溫度的上升而從95%小幅下降到87%,半峰寬也表現得較為理想。

隨著溫度的上升,半導體砷化鎵內的載流子濃度上升,隨之影響等離子體的頻率上升,這樣透過率峰值對應的中心頻率(即共振頻率)就會出現藍移的現象。模擬得到的結果表明設計的太赫茲濾波器具有很高的透過率以及較好的半峰寬和可調諧范圍。

圖4 光柵濾波器分別對應225,250,275,300,325 K的THz波透過率Fig.4 Transmittance of the grating filter corresponding to 225,250,275,300 and 325 K

3 結 語

本文采用半導體材料砷化鎵作為主要構成材料,理論分析計算了材料的介電常數特性,以光柵為結構基礎,設計出太赫茲頻段的光柵濾波器。經過模擬仿真,當溫度在225～325 K范圍內變化時,對應濾波的可調諧范圍達到0.35～1.51 THz的1.16 THz的帶寬,同時,還表現出了良好的半峰寬特性。隨著微納器件加工工藝的進步與發展,該結構能很好地運用到太赫茲領域并為太赫茲的發展起到關鍵的作用。

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StudyofthetunableTHzfilterbasedonsemiconductor

HUANG Tian1,2,3, LIU Qi1,2,3, WANG Qi1,2,3, ZHANG Dawei1,2,3

(1.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;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)

Terahertz filter can be used for various application such as communication,sensing and imaging.This paper proposed a kind of tunable THz filter with periodic microstructure based on semiconductor material GaAs.Besides,the dielectric properties of the semiconductor and the transmission characteristics of the THz filter have been studied.The proposed THz filter based on grating structure,and the transmission characteristics of the filter has been investigated with the aid of the CST software through finite difference time domain method.The incident THz wave is perpendicular to the surface of grating from 0.1 THz to 5.0 THz.It turned out that the bandwidth can reach 1.16 THz from 0.35 THz to 1.51 THz with the temperature varied from 225 K to 325 K,while the transmission kept above 85%.It makes a great contribution to the improvement of the transmittance and the bandwidth of the Thz filter.

semiconductor material; terahertz filter; thermally tunable; microstructure; finite difference time domain method

1005－5630（2017）05－0070－04

2016-11-28

國家自然科學基金(61378060);國家儀器專項(2012YQ1700407)

黃 甜(1991—),男,碩士研究生,主要從事可調諧太赫茲濾波器的研究。E-mail:Achileesy@163.com

王 琦(1984—),女,副教授,主要從事微納光學器件的研究。E-mail:shelly@163.com

O 43

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.012

(編輯:張磊)