基于太赫兹人工超材料的带阻滤波器

鉴于太赫兹辐射的特殊性,其难以与自然界中多数材料发生电磁相互作用,导致太赫兹功能器件匮乏。人工超材料通过人工设计结构单元的周期排列组合,可实现太赫兹波段电磁响应的调控。本文设计一种由二氧化硅衬底上的单层金属方形谐振环结构构成的太赫兹带阻人工超材料,具有窄带宽、深带阻特性、偏振不敏感特性,通过近场电场和表面电流分析,带阻共振特性源于谐振环结构的电偶极共振。该设计结构简单,易于制备,在太赫兹调制器件、太赫兹通信、光电探测等领域具有应用价值。     

低维材料太赫兹探测器研究进展（特邀）

太赫兹技术在无损检测、生物医学、工业检查、环境监测、局域通信和国防安全等领域具有广阔的应用前景。太赫兹系统中太赫兹探测器是其核心器件,其性能决定了太赫兹系统的应用市场,是推动太赫兹技术进一步发展的重要研究方向之一。但是,太赫兹波段较低的光子能量使得实现高速、灵敏的太赫兹探测颇有挑战。随着纳米技术和新材料制备技术的进步,低维材料的高迁移率、宽响应频带等性能为太赫兹探测器提供了新的机遇,低维材料太赫兹探测器得到广泛关注,其主要优势是高灵敏度、宽频带和低噪声,在近年来取得了显著的研究进展。虽然太赫兹探测器已经取得突破性发展,但各类太赫兹探测器仍然存在一些问题。在此背景下,文中从太赫兹探测器的分类出发,简要介绍了测辐射热计、热释电探测器、等离子体共振探测器和热载流子调控探测器的物理机制以及最新研究进展,并展望了未来低维材料太赫兹探测器的发展方向。     

基于光热载流子调控的二维材料红外与太赫兹探测器研究进展

红外和太赫兹具有非常广阔的应用前景,在光谱学、成像、无线通信和遥感等领域发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外、太赫兹波段的光子能量低,相关的探测遇到很大困难,所以实现高灵敏、高速和高稳定性的红外太赫兹探测是一个具有挑战性的工作。二维材料由于其高迁移率、带隙可调和表面悬挂键少等特点为红外太赫兹探测提供了新的机遇。基于光热载流子调控的二维材料红外、太赫兹探测器的发展方兴未艾。文中主要介绍了目前基于光热载流子调控的红外、太赫兹探测器的最新研究进展,将从材料、器件结构、响应波段和响应机理等方面展开。     

石墨烯太赫兹波段性质及石墨烯基太赫兹器件

石墨烯在太赫兹波段的优异性质,使其在太赫兹源、太赫兹探测和太赫兹调控三个方面都具备广阔的应用前景。主要对石墨烯在太赫兹波段的性质及石墨烯基太赫兹器件的相关研究进行了综述,并对石墨烯在太赫兹波段的应用前景进行了展望。在石墨烯太赫兹波段性质方面,主要介绍了石墨烯的电导模型、静态和超快光谱响应特性,以及表面太赫兹波辐射特性。在石墨烯基太赫兹器件方面,主要综述了基于光、电、磁调控的太赫兹主动器件,石墨烯基超材料的太赫兹调制器,基于阻抗匹配的减反射调控器件,以及可调太赫兹源器件的最新研究进展。     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

太赫兹探测用GaAs MESFET I-V特性模拟计算

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料GaAs,由于其本征载流子浓度比Si约低104,电子迁移率约是Si的5倍,电阻率高达108Ωcm,有利于降低寄生电容,减少漏电流;另外,GaAs材料便于加工,可方便地实现大规模集成,适用于制作MESFET器件。目前用于太赫兹探测的GaAs MESFET在国际上有了较大的发展,为了进一步研究MESFET的器件特性,参照国外现有的作为太赫兹探测的GaAsMESFET器件结构,通过建立器件结构模型,并进行掺杂、网格化后使用Synopsys器件模拟软件求解泊松方程,计算并分析了其电流电压特性。计算结果和实验测量结果比较吻合。     

利用共振隧穿器件制作太赫兹波源

太赫兹波是振荡频率在100GHz～10THz范围的电磁波,利用共振隧穿器件高频高速的特点,适宜制作此波段的振荡源器件。指出与其他类型的太赫兹源器件相比,共振隧穿型太赫兹波源器件具有体积小、重量轻、便于与控制电路集成以及易于进行调制等特点;此外,还适宜用Si透镜进行功率合成,增大其总发射功率。给出几种重要太赫兹共振隧穿器件的结构、制造工艺和器件性能,作为太赫兹技术领域的研究人员选择太赫兹波源器件的参考。     

太赫兹超导人工电磁超材料的研究进展

太赫兹人工电磁超材料一直存在损耗大、性能不佳和不可灵活调控等问题。超导材料的损耗极低,是太赫兹波段高性能功能器件的优选材料之一。介绍了太赫兹超导人工电磁超材料的发展,并详细总结了其低损耗的特性以及灵活调控的方法。结合太赫兹波段高性能功能器件的应用需求,分析了太赫兹功能器件的发展趋势、存在的问题以及所面临的关键科学问题。     

基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种使用相干探测的频谱分析手段。THz-TDS系统集太赫兹波发射器与探测器于一体,通过相干探测,可以同时获取太赫兹脉冲的电场强度和相位信息,广泛用于生物、材料、安检等领域。超快激光成丝产生太赫兹波是当前产生宽频谱、高强度太赫兹辐射的一个重要途径。文章详细介绍了超快激光成丝辐射太赫兹波的主流物理机制以及增强、调控太赫兹波的主要方法,阐述了基于激光成丝的THz-TDS系统的探测原理和探测手段。     

量子阱太赫兹探测材料设计与生长的研究*

子带跃迁的量子阱结构太赫兹探测器具有响应速度快等特点,有广泛的应用前景,越来越受到研究 人员的关注。以量子力学基本原理,量子阱结构材料光吸收的特性,以及光导型探测器暗电流分析为基础,进行了 量子阱厚度、势垒层Al 含量和量子阱掺杂浓度等参数的AlGaAs/ GaAs 量子阱太赫兹探测材料结构设计,按照优化 后的外延参数进行了材料生长,获得了符合设计要求的探测材料。     

Ge/Si SACM-APD器件分析

Ge/Si吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的APD作为一种新型光电探测器已成为硅基APD器件研究的重点.对SACM Ge/Si型APD器件的基本结构及其主要特性参数,包括量子效率、响应度、暗电流等进行了理论分析及仿真验证.实验结果表明:在给定的器件参数条件下,所设计的APD器件的雪崩击穿电压为25.7 V,最大内部量子效率为91%,单位增益下响应度峰值为0.55 A/W,在750~1 500 nm范围内具有较高响应度,其峰值波长为1 050 nm;在高偏压以及高光照强度情况下,倍增区发生空间电荷效应从而导致增益降低.     

1.55μmSi_(1-x)Ge_x/Si光开关与光探测器集成的分析及设计

对１．５５μｍ波长的Ｓｉ１－ｘＧｅｘ光波导开关和Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／Ｓｉ红外探测器的集成结构进行了系统的理论分析和优化设计。设计结果为：（１）对Ｓｉ１－ｘＧｅｘ光开关，Ｇｅ含量ｘ＝０．０５，波导的内脊高、脊宽和腐蚀深度分别为３，８．５和２．６μｍ，分支角为５～６°。要实现对１．５５μｍ波长光的开关作用，ｐｎ＋结上所需加的正向偏压值应为０．９７Ｖ；（２）对Ｓｉ１－ｘＧｅｘ／Ｓｉ探测器，Ｇｅ含量ｘ＝０．５，探测器由２３个周期的６ｎｍＳｉ０．５Ｇｅ０．５和１７ｎｍＳｉ交替组成厚度为５５０ｎｍ，长度约为１．５～２ｍｍ的超晶格，内量子效率达８０％以上。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

电可调非致冷红外探测原理

传统的红外光谱成像技术能够提供丰富的光谱信息,应用广泛,但该技术同时也存在一定局限性,如很难同步实现探测器小型化和探测波段实时调节等方面的要求。本文提出了一种基于电可调表面等离子体谐振吸收的新型红外探测器结构。基于电磁场理论分析了结构参数对红外光学吸收的影响,并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到90%以上。分析了不同栅压下,VOx热敏层中载流子的浓度分布和折射率变化情况,结果显示这种器件具有显著的电可调红外光谱吸收特性。本文研究在非制冷微测辐射热计探测器上使用电可调功能,使之具有片上可调光谱探测能力,同时易于阵列化,为微小型可配置光谱成像探测器件提供了一条思路。     

Resonant cavity enhanced photoluminescence of tensile strained Ge/SiGe quantum wells on silicon-on-insulator substrate

The tensile strained Ge/SiGe multiple quantum wells （MQWs） grown on a silicon-on-insulator （SOI） substrate were fabricated successfully by ultra-high chemical vapor deposition. Room temperature direct band photoluminescence from Ge quantum wells on SOI substrate is strongly modulated by Fabry-Perot cavity formed between the surface of Ge and the interface of buried SiO2. The photoluminescence peak intensity at 1.58 μm is enhanced by about 21 times compared with that from the Ge/SiGe quantum wells on Si substrate, and the full width at half maximum （FWHM） is significantly reduced. It is suggested that tensile strained Ge/SiGe multiple quantum wells are one of the promising materials for Si-based microcavity lijzht emitting devices.     

Comparative analysis of photoluminescence and electroluminescence of multilayer structures with self-assembled Ge(Si)/Si(001) island

Comparative studies of the photoluminescence and electroluminescence of multilayer structures with self-assembled Ge(Si)/Si(001) islands are carried out. The luminescence signal from the islands is observable up to room temperature. Annealing of the structures induces a shift of the luminescence peak to shorter wavelengths. The shift is temperature dependent, making possible controllable variations in the spectral position of the luminescence peak of the Ge(Si) islands in the range from 1.3 to 1.55 μm. The enhancement of the temperature quenching of photoluminescence of the islands with increasing annealing temperature is attributed to the decrease in the Ge content in the islands during annealing and, as a result, to a decrease in the depth of the potential well for holes in the islands. The well-pronounced suppression of the temperature quenching of electroluminescence of the Ge(Si) islands in the unannealed structure with increasing pumping current is demonstrated.     

面向空间引力波探测的低噪声平衡零拍探测系统研究（特邀）

空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10?5 V/Hz1/2以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400 μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10?2 V/Hz1/2,实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。     

Terahertz Imaging System for Medical Applications and Related High Efficiency Terahertz Devices

A terahertz (THz) imaging system and high efficient terahertz sources and detectors for medical applications were developed. A fiber laser based compact time domain terahertz tomography system was developed with a high depth resolution of less than 20 μm. Three-dimensional images of porcine skin were obtained including some physical properties such as applied skin creams. The discrimination between healthy human tissue and tumor tissue has been achieved using reflection spectra. To improve the THz imaging system, a ridge waveguide LiNbO₃ based nonlinear terahertz generator was studied to achieve high output power. A ridge waveguide with 5-7 μm width was designed for high efficiency emission from the LiNbO₃ crystal by the electro-optic Cherenkov effect. Terahertz electronic sources and detectors were also realized for future imaging systems. As electronic source devices, resonant tunneling diode (RTD) oscillators with a patch antenna were fabricated using an InGaAs/InAlAs/AlAs triple barrier structure. On the other side, Schottky barrier diode (SBD) detectors with a log-periodic antenna were fabricated by thin-film technology on a Si substrate. Both devices operate above 1 THz at room temperature. This electronic THz device set could provide a future high performance imaging system.