[发明专利]太赫兹表面等离子体波光学调制器及其调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种太赫兹表面等离子体波光学调制装置，和利用本征半导体等离子体频率随光生载流子数量变化的特性调制太赫兹表面等离子体波的一种方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波一般是指频率在0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波。其波段位于微波和近红外线之间，属于远红外线和亚毫米波范畴。太赫兹电磁辐射相比其他波段的电磁波具有以下独有的特点：(1)太赫兹波对于很多非极性分子物质，如陶瓷、塑料、纸、衣物等包装材料有很强的穿透力，可以用来进行非破坏性和非接触性探测和安全检查。大多数极性分子对太赫兹波有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质成分。许多有机分子在太赫兹波段呈现出强烈的吸收和色散特性，使用太赫兹光谱技术可以对这些分子的结构进行研究。(2)太赫兹波的光子能量很低，频率为1THz的太赫兹波的光子能量约为4meV，大约为X射线光子能量的10^-6倍，因此不会对生物组织产生有害的电离，适合于对生物组织进行活体检查。(3)由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的太赫兹波，具有很高的时间和空间相干性。通过相干测量太赫兹波信号的时域波形，可以得到包括振幅和相位的光谱信息。(4)太赫兹脉冲信号通常只包含很少的几个周期的电磁振荡。太赫兹脉冲的时域波形可以在飞秒时间尺度上以很高的精度测量出来。太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量技术有效地防止背景辐射噪声干扰。太赫兹波的测量信噪比可大于10¹⁰，远高于傅立叶变换红外光谱测量技术。(5)以太赫兹信号作为宽带信息载体，可承载的信道比微波的多得多。而且其他电磁波波段已经被分配给广播、手机通信等业务，而太赫兹波段尚未被分配使用。如能用于通信，必将有良好的经济效益和广阔的市场空间。

虽然太赫兹波在通信等行业有较好的应用前景，但是目前对太赫兹波缺乏有效的开关或调制手段。现有的开关或调制器尚有很多不足之处，比如：R.Kersting等人设计的太赫兹调制器需要极低的温度才能运作^[1]；T.Kleine-Ostmann等人设计的太赫兹调制器虽然可以在常温下工作，但是只能对太赫兹信号进行振幅很小的调制^[2]；J.Saxler等人设计的太赫兹调制器调制的幅度可以达到50％，但其调制频率不够快，只能达到几千赫兹^[3]，而且该调制器的制作工艺也较复杂。

为了制作出性能更好的太赫兹波开关或调制装置，J.Gómez Rivas等人把太赫兹波转换为太赫兹表面等离子体波^[4]，通过光强对半导体光生载流子数量的影响实现对太赫兹表面等离子体波的调控，从而实现对太赫兹波的调控^[5]。其调控过程是：把太赫兹波转换成太赫兹表面等离子体波，当足够光强的光波照射在半导体的表面时，一定频率的太赫兹表面等离子体波可以通过该半导体的表面，然后再把太赫兹表面等离子体波耦合为太赫兹波，从而实现对某一特定频率太赫兹波的导通；当照射在半导体表面的光波阻断或减弱时，光栅使得该频率的太赫兹表面等离子体波不能通过半导体表面或其强度大大减弱，从而实现了对该频率太赫兹波的阻断或调制。与其他太赫兹调制器相比，该调制器的优点是可以进行快速调制，其调制时间在亚皮秒量级，并且可以在接近常温的环境下工作。

但是J.Gómez Rivas等人设计的太赫兹表面等离子体波光学调制器需要使用光栅^[5]，因此性能受其影响。首先，由于光栅的使用，光栅本身会散射太赫兹表面等离子体波的能量，从而使得通过的信号能量受到损失。其次，需要制作出能透射特定频率太赫兹表面等离子体波的光栅，这也增加了制作的难度和成本。更重要的是，该太赫兹表面等离子体波光学调制器只能对很窄波段的太赫兹表面等离子体波实现开关或调制，而不能对宽频的太赫兹表面等离子体波进行调制。这就不能充分发挥太赫兹波与微波相比信道更宽的优点。在太赫兹通信中，当需要对宽频的太赫兹波进行快速调制时，用现有的装置无法实现。因此，我们有必要设计一种低成本、低损耗、宽频谱的太赫兹表面等离子体波光学调制器。

背景技术文件：

1.R.Kersting，G.Strasser and K.Unterrainer，“Terahertz phase modulator”Electron.Lett.36，1156-1158(2000).