[发明专利]太赫兹探测单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹探测单元以及包括一个或多个所述单元的用于太赫兹辐射的探测器、以及一种太赫兹探测方法。

背景技术

太赫兹领域通常由具有在0.1与30THz之间频率的辐射来定义。该频带覆盖了电子领域和光子领域。太赫兹域中的器件遭遇到了固有操作限制：工作频率对于基于电子的部件而言太高，并且对于光子而言能量太低而难以有效工作。然而，该频域对于例如成像或者电通信领域中的应用而言具有很大的潜力，其中通常分配给电通信的频率范围达到饱和。特别地，在美国，上至0.3THz的频率范围分配已经饱和。这种应用的潜力显著地鼓励了对于允许检测在该频率范围内的辐射的光电探测器的发展做出研究。

THz探测器可以被划分为两个主要类别，对于辐射强度敏感的非相干探测器，以及对于辐射幅值敏感并且允许进入其相位的相干探测器。例如作者为F.Sizov和A.Rogalski(“THz detector”，Progress in Quantum Optics，34，278-347(2010))、F.Sizov(“THz radiation sensors”，Opto-electronics Review，18(1)，10-36)的文章以及作者为J.L.Coutaz的书籍(Optoelectronique THz，EDP Science(2008))展示了对于现有THz探测器的文献回顾。相干探测器使用外差技术，其中探测到的THz信号与来自己知频率的局部振荡器的信号结合。随后混合这两个信号以获得可以由低噪声放大器进行放大的低得多的频率的信号(通常在GHz范围内)。保存关于THz信号的幅值和相位的信息。这种转换是必需的，因为当前没有THz放大器。特别与直接或者非相干探测相比，该技术实现了对将要探测的频率和相位的调制，表现出良好的灵敏度以及更好的信噪比，因为主要噪声来自于局部振荡器信号的波动，而不是来自于背景噪声。然而，必需重视对于探测到的信号以及来自局部振荡器信号的强烈抑制以实现这种类型的探测，这使得用于成像的由这种类型探测器组成的阵列的发展变得复杂化。在直接探测器中，特别是热探测器是公知的，例如高莱(Golay)单元、热电探测器、热辐射计和微热辐射计、肖特基二极管以及光导天线。作为示例，专利申请US2008/031509描述了由传输线组成的光导天线，其中传输线由设置在绝缘半导体上的两个共面金属导体形成。该线的一部分用作THz域下的天线。该器件用于超快时域采样，使用由可见激光产生光子。对于大于几10^-11/Hz^1/2的噪声等效功率(或NEP)，工作在环境温度下的探测器的灵敏度并未超过几10⁴⁴V/W。在直接探测器之中，在低温温度下效率最高。

本发明的一个目的在于通过一种太赫兹探测器，其工作在环境温度下并且表现出良好灵敏度以及低噪声等效功率。本申请中描述的探测器是基于对界面声子极化的使用。

发明内容

根据第一方面，本发明涉及一种用于探测其频率包括在给定频谱探测波段内的辐射的太赫兹探测单元，包括：

-半导体极性晶体，其具有覆盖所述频谱探测波段的剩余射线波段以及具有至少一个与电介质媒介的界面；

-耦合装置，其允许由所述界面支撑的界面声子极化(interface phonon polariton)(IPhP)与包含在所述频谱探测波段内的频率的入射辐射的谐振耦合；以及

-至少一个第一和一个第二连接端子，分别与所述界面的第一和第二相对端部电接触，并且旨在连接至电子读取电路，以用于测量所述界面的相对端部之间的晶体阻抗的变化。

在所谓晶体的剩余射线波段中的极性晶体的电介质函数的谐振效应因此用于生成工作在环境温度下的效率显著的太赫兹探测器。测量由晶体的自由载流子吸收入射太赫兹波所激励的界面声子极化激元而导致的阻抗变化，以便探测入射在探测单元上的发光强度。

有利地，极性晶体具有与电介质媒介的至少两个界面，所述界面足够靠近以允许沿着每个界面传播的界面声子极化激元的耦合。两个界面声子极化激元模式的耦合特别地通过使得阻抗变化在半导体晶体中更加灵敏，而允许进一步加强电磁场的限制并且改进探测器的效率。

通常两个界面之间的距离可以小于一百纳米。