太赫兹频段硅的光学特性研究

硅是常用的半导体材料,它作为信息时代的基石,一直都在材料领域占有很重要的地位.总结了硅在太赫兹频段的光学特性,得到了一些可靠的光学参数,为进一步研究基于硅衬底的THz光子器件奠定了基础.同时,本文还对硅在THz频段的应用前景进行了展望.     

高阻硅衬底上多孔硅牺牲层工艺的研究

采用离子注入的方法在高电阻率的硅衬底上选择性地形成低阻区,制备了多孔硅牺牲层,研究用"先做微结构后形成多孔硅"的多孔硅牺牲层工艺制作微悬空结构.     

太赫兹段慢波结构的微细加工技术研究新进展

太赫兹波兼具穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性,在国防、深空通信、远程成像、安全检查和医疗诊断等领域具有重大应用前景。基于慢波结构的电真空器件是在太赫兹频段产生瓦级功率输出,同时实现太赫兹辐射源小型化和经济化最具潜力的一种解决方式。慢波结构作为此类电真空器件的核心零件,其物理设计及制造水平将直接影响器件的带宽和增益,因此,从适合工作在太赫兹频段的慢波结构类型、加工精度与表面质量要求,以及制备工艺3个方面出发,对慢波结构的微细加工技术研究现状进行综述,重点分析太赫兹频段慢波结构的关键制造技术水平及应用现状,并探讨其在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续高频器件研究工作的推进提供参考。     

太赫兹波段的taper型多模干涉耦合器

随着通信技术的飞速发展,传统微电子行业出现瓶颈,人们更多地寄希望于集成光路来实现新的突破。硅基光子学因其自身材料以及制造工艺等方面的优点而备受关注。其中,硅基耦合器作为重要的硅基无源器件,是实现光的片上合束和分束的关键。多模干涉（multimode interference, MMI）耦合器具有损耗低,工艺容差性大且带宽较大等优点,是一种常用的集成光学器件。从MMI耦合器的自映像成像原理出发,利用导模传输分析法（guide-mode propagation analysis, G-MPA）对MMI中的模场分布情况进行分析,成功设计出基于470 μm高阻硅晶圆的太赫兹波段的taper型多模干涉耦合器。通过时域有限差分法（finite difference time domain method, FDTD）仿真优化其参数,实现了93.8%的耦合效率。     

基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器

提出了一种基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器。该偏振转换器采用两个不同尺寸的十字型金属缝阵列结构形成两个线偏振变圆偏振转换频点,从而实现双频的太赫兹波线偏振变圆偏振转换。计算结果表明,设计的偏振转换器能在0.760THz和1.068THz将一束线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。该双频的线偏振变圆偏振转换器仅由单层的超表面组成,结构简单易于制备,因而为操控电磁波和设计新颖的太赫兹波器件提供了参照。     

基于石墨烯太赫兹调制器的研究

利用石墨烯的电导率可以通过电压调节的特性,研究了一种基于单层石墨烯的太赫兹调制器。为了提高太赫兹-石墨烯相互作用强度,调制器采用一种石墨烯-金属复合结构。全波电磁数值仿真结果表明,在反射工作模式下,该器件在3.5 THz的调制深度大于90%。采用平面半导体工艺,实现了调制器原型器件,并对其反射谱进行了测试,实验数据与仿真结果相符,这为以后实现高质量的太赫兹调制器奠定了基础。     

太赫兹超表面近场等离子体涡旋偏移器件设计

为了提升太赫兹（terahertz,THz）通讯容量,设计了一种基于单层超表面的激发近场等离子体涡旋偏移的太赫兹器件。基于几何相位超表面,采用FITD（时域有限积分）软件,对该器件的近场涡旋偏移进行了仿真研究。结果表明,所设计的器件在圆偏振光的入射下,能够实现空间任意位置的偏移。该类功能器件在一定程度上提升了太赫兹通讯容量,可应用于6G技术中。     

基于狭缝波导的太赫兹场限制能力及频带宽度的研究

狭缝波导由于具有将光场限制在中间空气狭缝区域中传输的特性,使其可用来提高太赫兹集成器件的性能。为了分析狭缝波导结构的太赫兹场的传输特性,利用二维有限时域差分法(COMSOL-光学模块)得到了硅材质的狭缝波导在波长为450μm时的太赫兹场的传输模式和频带宽度,并获得了狭缝波导结构参数与狭缝区域太赫兹场限制能力的关系以及与频带宽度的关系。研究结果为太赫兹狭缝波导的设计提供了参考。     

基于超表面的新型太赫兹功能器件研究

太赫兹技术自被发现以来,凭借其自身独特优势,迅速引起了人们的广泛关注,其主要包括太赫兹源技术、太赫兹器件和太赫兹探测技术。其中,太赫兹器件与多个领域结合紧密,在生物医疗、半导体封装、无损检测、食品农产品、太赫兹通信材料表征等方面有广泛应用。超材料具有独特的结构优势,可以人为设计、选材,将超材料引入太赫兹器件使得太赫兹器件可以被人工设计成所需要的效果,从而为多个领域提供技术、器件支持。从太赫兹器件的构成、加工流程、应用、太赫兹器件对太赫兹波的调控原理以及当今存在的主要太赫兹技术等方面对太赫兹器件进行了研究,并对其发展前景做出了展望。     

面向大面积微结构批量化制造的复合压印光刻

为了解决在大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底上高效低成本批量化制造大面积微纳结构这一难题,提出一种面向大面积微结构批量化制造的复合微纳压印光刻工艺。阐述了复合压印光刻的基本原理和工艺流程,通过实验揭示了主要工艺参数(覆模速度、压印力、压印速度、固化时间)对于压印结构的影响及规律。最后,利用课题组自主研发的复合压印光刻机,并结合优化的工艺参数,在3种不同的硬质基材(玻璃、PMMA、蓝宝石)上实现了微尺度柱状结构(最大图形区域为132mm×119mm)、微尺度光栅结构(最大直径为15.24cm的圆形区域)和纳尺度柱状结构(图形区域为47mm×47mm)的大面积微纳结构制造。研究结果表明,提出的复合微纳米压印工艺为大面积微纳结构宏量可控制备、以及大尺寸非平整刚性衬底/易碎衬底大面积图形化提供了一种全新的解决方案,具有广阔的工业化应用前景。     

一种基于FSS的太赫兹滤波器特性分析

基于太赫兹频段,为研究太赫兹滤波器的滤波特性,提出了一种基于频率选择表面(FSS)的反射型偏振太赫兹滤波器.通过分析不同旋转角度的滤波器透过性,得出该结构的滤波器具有中心反射率高,谐振频率拓展范围大等优点.优化计算结果表明,当FSS结构设计成不同的旋转角度时,可将中心频率控制在0.58～0.72 THz(动态可调范围约...     

太赫兹波段光子晶体温度传感器的研究

使用对太赫兹波段有吸收效应的掺杂硅设计光子晶体结构,使得在光子带隙内的光波被吸收,并加上金属反射镜面将光子晶体的吸收峰和法布里-珀罗(F-P)谐振吸收峰结合,使此结构在0.29～0.31 THz波段达到宽频吸收,并且在0.31～0.34 THz波段通过测量光子晶体的反射率可以计算出对应温度。在使用商业电磁仿真软件CST2014仿真和优化参数后,反射率对应温度变化的变化范围是0.09～0.36,即最大值与最小值有4倍之差,这一特性表明,此结构的反射率变化随温度变化十分明显,是一款十分灵敏的温度传感器。此外,在入射角不大于40°时,结构性能依然良好。     

Application of superlattice multipliers for high-resolution terahertz spectroscopy

Frequency multipliers based on superlattice (SL) devices as nonlinear elements have been developed as radiation sources for a terahertz (THz) laboratory spectrometer. Input frequencies of 100 and 250 GHz from backward wave oscillators have been multiplied up to the 11th harmonic, producing usable frequencies up to 2.7 THz. Even at these high frequencies the output power is sufficient for laboratory spectroscopy. Comparisons to conventional high-resolution microwave spectroscopy methods reveal several superior features of this new device such as very high line frequency accuracies, broadband tunability, high output power levels at odd harmonics of the input frequency up to high orders, and a robust applicability.     

疏水SiO2宽频增透膜的制备与研究

采用溶胶-凝胶浸渍提拉工艺在玻璃表面制备了双层增透膜,该薄膜由折射率分别为1.12和1.33的两层膜构成。薄膜在380~1 100nm和1 100~2 500nm范围内平均透过率较空白玻璃分别提高了7.68%和4.39%。薄膜接触角大约141°,且表层膜在2个月内能保持较高的疏水效果。双层增透膜制备方法简单,在宽光谱耐环境减反射领域有一定的应用潜力。     

基于平行板波导的双槽谐振腔的特性研究

为使在太赫兹横电波模式下基于平行板波导的对称的双矩形谐振腔结构在滤波、传感等方面有更好的应用,在理论上使用有限元方法对该结构在太赫兹横电波模式下进行了理论上的模拟仿真,并使用时域太赫兹波谱系统在实验上对其理论仿真结果进行了验证。理论和实验均表明在太赫兹横电波模式下基于平行板波导的对称的双矩形谐振腔结构,对谐振频率的选择以及谐振频率Q值的大小均与两平行板的板间距有关,即随着板间距的增大,谐振频点均出现了红移,红移的速率为136GHz/mm,并且其Q值也随着板间距的增大而变大。此结果对太赫兹横电波模式下基于平行板波导的对称的双矩形谐振腔结构在滤波、传感等方面的应用提供了参数上的依据。     

Two‐dimensional profiling of carriers in terahertz quantum cascade lasers using calibrated scanning spreading resistance microscopy and scanning capacitance microscopy

The distribution of charge carriers inside the active region of a terahertz (THz) quantum cascade laser (QCL) has been measured with scanning spreading resistance microscopy (SSRM) and scanning capacitance microscopy (SCM). Individual quantum well‐barrier modules with a 35.7‐nm single module thickness in the active region of the device have been resolved for the first time using high‐resolution SSRM and SCM techniques at room temperature. SSRM and SCM measurements on the quantum well‐barrier structure were calibrated utilizing known GaAs dopant staircase samples. Doping concentrations derived from SSRM and SCM measurements were found to be in quantitative agreement with the designed average doping values of the n‐type active region in the terahertz quantum cascade laser. The secondary ion mass spectroscopy provides a partial picture of internal device parameters, and we have demonstrated with our results the efficacy of uniting calibrated SSRM and SCM to delineate quantitatively the transverse cross‐sectional structure of complex two‐dimensional terahertz quantum cascade laser devices.     

Compact terahertz passive spectrometer with wideband superconductor-insulator-superconductor mixer

We developed a compact terahertz (THz) spectrometer with a superconductor-insulator-superconductor (SIS) mixer, aiming to realize a portable and highly sensitive spectrometer to detect dangerous gases at disaster sites. The receiver cryostat which incorporates the SIS mixer and a small cryocooler except for a helium compressor has a weight of 27 kg and dimensions of 200 mm × 270 mm × 690 mm. In spite of the small cooling capacity of the cryocooler, the SIS mixer is successfully cooled lower than 4 K, and the temperature variation is suppressed for the sensitive measurement. By adopting a frequency sweeping system using photonic local oscillator, we demonstrated a spectroscopic measurement of CH(3)CN gas in 0.2-0.5 THz range.     

Compact terahertz time domain spectroscopy system with diffraction-limited spatial resolution

A compact and rigid terahertz time domain spectroscopy system is presented. The size of the device is 20 mm diameter times 61 mm length with four parabolic-shaped concave mirrors dug in it to effectively focus a terahertz beam on a sample. The device has no chromatic aberration over the whole bandwidth of the beam (0.3-2 THz), and an effective numerical aperture of about 0.45 is achieved, which has a capability to image the structure whose size is almost the same as the wavelength. Frequency resolved images clearly show this performance. We also show that quantitative retrieval of the complex refractive index of the structure as small as twice of the wavelength is possible.