[实用新型]一种太赫兹波高速调制器

说明书

技术领域

本实用新型属于太赫兹波通信领域，尤其涉及一种太赫兹波调制器。

背景技术

无线通信的有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾迫使人们去开发新的频谱波段。太赫兹波是指频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波 (1 THz = 10¹² Hz)，波长为0.03 mm到3 mm，具有很大的带宽，因此发展THz无线通信技术具有重要的实际应用价值。其中太赫兹波调制器是太赫兹通信系统中必不可少的器件之一，而目前太赫兹调制器的性能主要受限于材料的选择和制备。新型半导体基底材料和电磁超材料（meta-material）的有机结合有望实现太赫兹某些关键技术，尤其是太赫兹调制技术的突破。

近年来所报道的THz波调制器有利用半导体块状材料对 THz波进行调制的方法。中国计量学院的李九生等基于超高电阻率的硅（Si）晶片，利用 808 nm激光照射产生光生载流子对THz波进行调制。由于超高电阻率 Si片中载流子的复合寿命较长，所以其调制速率仅为 0.2k bps。砷化镓GaAs中载流子的寿命较短，有可能成为制备高速太赫兹调制器的基底材料。捷克的 L. Fekete等人采取在交替层叠的 SiO₂和 MgO周期结构中嵌入一层 GaAs缺陷层的办法以构成一维光子晶体，利用 GaAs在 810 nm激光照射下产生的光生载流子的浓度变化来调制光子晶体的透过特性，从而实现高速调制 THz波的目的。但由于GaAs中载流子的寿命较短，响应时间可以达到 130 ps量级，所以虽然理论上对THz波的调制速率可以达到GHz量级，但为了获得较高的光生载流子浓度和较大的调制深度，810 nm调制激光的光通量需达到 0.8 μJ/cm²的极高量级，其对应的连续波输出激光功率则需要达到10⁵ W以上，这使其在实际应用中受到极大限制。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有存在的问题和不足，本实用新型提供了一种太赫兹波调制器,从而克服现有砷化镓基底中载流子的复合寿命过短以致需要超强功率的调制激光器的缺陷，实现了在低功率调制激光的激发条件下也能对太赫兹波进行高速调制。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：一种太赫兹波高速调制器，包括衬底层，在该衬底层上生长有一缓冲层，在该缓冲层生长有应变量子阱结构，在该应变量子阱结构的上表面制备的由金属谐振单元周期阵列组成的金属超材料结构；所述应变量子阱结构包括两个以上的势垒层和至少一个势阱层，所述势阱层处于两势垒层中间，且所述应变量子阱结构最上层和最下层都是势垒层；所述衬底层是＜111＞面取向，所述缓冲层与衬底层材料相同，所述势阱层的能带隙小于势垒层，且所述势垒层与衬底层的晶格常数相同或者相差不超过0.5%。

当太赫兹波依次通过金属超材料结构、应变量子阱结构、缓冲层、最后从衬底层的下表面射出的同时，另有一束波长为810nm的调制激光入射到量子阱，激发光生载流子，由于所述应变量子阱结构中势垒层和势阱层的晶格失配从而产生强压电场能够有效的分离光生载流子中的电子和空穴，从而显著增加光生载流子的浓度和复合寿命，极大的降低所需外部调制激光器的功率。

作为优选，所述衬底层、缓冲层和势垒层材料是砷化镓，所述势阱层材料是铟镓砷。或者所述衬底层和缓冲层是砷化镓，所述势垒层材料是铝镓砷，所述势阱层材料是镓砷磷。

作为优选，所述应变量子阱结构中势垒层和势阱层都是＜111＞面取向，所述势垒层厚度为10～300nm，所述势阱层厚度为1～30nm。

作为优选，所述缓冲层厚度为20～300nm。

作为优选，所述金属超材料结构中金属谐振单元的厚度为0.2～5微米，周期为20～80微米。

本实用新型的另一个目的是提供了一种上述太赫兹波高速调制器的制作方法，具体包括以下步骤：

a、通过金属有机物化学气相外延技术（MOCVD）或分子束外延技术（MBE）在＜111＞面取向的衬底层上生长一层缓冲层；

b、然后继续在该缓冲层上依次生长＜111＞面取向的势垒层、势阱层和势垒层，从而构成＜111＞面取向的应变单量子阱层，其中势阱层选用的材料的能带隙小于势垒层，且所述势垒层与衬底层的晶格常数相同或相差在0.5%以内；

c、通过蒸镀和刻蚀的方法在所述应变量子阱结构上表面制备一层周期排列的金属谐振单元组成的金属超材料结构。