[发明专利]太赫兹光子片上控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹光子片上控制系统及其控制方法，尤其涉及一种利用表面等离激元的太赫兹光子片上控制系统及其控制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)波段通常是指频率从100GHz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波(亚毫米波)与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和探测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。太赫兹技术的进步为人们对物质的表征和操控提供了很大的自由空间，已广泛应用在射电天文探测、大气与环境监测、实时与安全的生物与医学诊断等领域，并且在信息领域的高空间和时间分辨率探测、成像与信号处理、量子信息处理、大容量与高保密通信方面有着重要的应用价值和重大的应用前景。

另一方面，虽然得益于半导体工艺技术的飞速进步，微纳电子器件的尺寸遵循摩尔定律持续地缩小，芯片内信息的处理速度也得以快速提高。然而，面对现代信息社会对信息大容量传输、高速处理和获取所提出的越来越高的要求，沿传统的道路(比如按比例缩小器件尺寸)实现处理速度从吉赫兹到太赫兹的跨越，将会遇到众多棘手的难题。伴随着尺寸的缩小，器件的功耗控制问题以及导线电阻、电容增大导致的信号延迟问题，都是设计器件时面临的基本物理限制。原则上，光子器件能提供太赫兹量级的数据带宽容量，并且能并行地处理信息。然而，传统的光子器件由于衍射极限这一物理限制，器件尺度不能小于其波长的大小，以致由于物理尺度上的巨大差异，微米量级的光子器件与纳米量级的电子器件难以顺利地兼容各自的优点。

这一尺度兼容问题在太赫兹光子操控系统中特别突出。虽然太赫兹波的产生、传播和探测等技术近十年来进展迅速，但是目前标准的太赫兹测试系统还都是由各独立元件组装配置而成，需要用到相对比较大型、笨重的远场光学器件，尤其是太赫兹源、探测、传播和调制等部分分立于系统中的各处，它们之间的物理间隔较大，集成度相当低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高集成度的太赫兹光子片上控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种上述太赫兹光子片上控制系统的控制方法。

一种太赫兹光子片上控制系统包括：半导体异质结，所述半导体异质结表面形成有二维电子气；形成于所述半导体异质结表面的表面等离激元波导，所述表面等离激元波导用于传播表面等离激元太赫兹光子；形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第一源电极、第一漏电极、第一门电极，所述第一源电极、第一漏电极和第一门电极用于形成太赫兹源量子点，所述第一源电极、第一漏电极用于输入吉赫兹波源以激发所述太赫兹源量子点产生太赫兹光子，进而与所述表面等离激元波导耦合形成表面等离激元太赫兹光子；形成于所述半导体异质结表面且邻近所述表面等离激元波导的第二源电极、第二漏电极、第二门电极，所述第二门电极，所述第二源电极、第二漏电极和第二门电极用于形成太赫兹探测量子点，所述表面等离激元太赫兹光子激发所述太赫兹探测量子点产生电子-空穴对，所述第二源电极、第二漏电极用于施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子而形成可测量的电流信号。

本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导为导电的纳米线。

本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导的材料为金或银或铜或铝。

本发明的太赫兹光子片上控制系统的优选的一种技术方案，所述表面等离激元波导与所述半导体异质结之间设置有介质层。

上述太赫兹光子片上控制系统的控制方法，包括如下步骤：在所述第一源电极、第一漏电极、第一门电极上施加电压，形成所述太赫兹源量子点，在所述第二源电极、第二漏电极、第二门电极上施加电压，形成所述太赫兹探测量子点；在所述第一源电极、第一漏电极上输入吉赫兹波源，所述吉赫兹波源激发所述太赫兹源量子点辐射出太赫兹光子；所述太赫兹源量子点辐射出的太赫兹光子耦合输入所述表面等离激元波导，形成沿所述表面等离激元波导传播的表面等离激元太赫兹光子；所述表面等离激元太赫兹光子通过耦合作用在所述太赫兹探测量子点内激发出电子-空穴对；在所述第二源电极、第二漏电极上施加电压，将所述电子-空穴对分解成自由载流子，形成可测量的电流信号；分析所述电流信号的时序特征。从而对所述表面等离激元太赫兹光子进行探测。

本发明的太赫兹光子片上控制系统的控制方法的优选的一种技术方案，所述太赫兹源量子点内部有两个能态，能级间隔对应的频率范围为0.2-2THz。