[发明专利]波导、包括该波导的装置及制造该波导的方法

说明书

本申请是基于申请号为201210148448.9，申请日为2012年5月14日，发明名称为“波导、包括该波导的装置及制造该波导的方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种波导、包括所述波导的装置以及制造所述波导的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于从毫米波带到太赫兹波带(30GHz到30THz)(下文中，又称为太赫兹波)的频带中的电磁波的波导。

背景技术

在太赫兹波的频带中，存在生物材料、医药、电子材料等的很多有机分子的源自其结构和状态的吸收峰。此外，太赫兹波容易穿透诸如纸张、陶瓷、树脂和布料等材料。近年来，已经对使用太赫兹波的这些特性的成像技术和感测技术进行了研究和开发。例如，期望其对于用于代替X射线装置的安全荧光检查装置、制造工艺中的在线(in-line)无创检查装置等的应用。

作为电流注入型太赫兹波光源，正在研究一种结构，其使用基于半导体量子阱结构中的电子的子带间跃迁的电磁波增益。Appl.Phys.Lett.83,2124(2003)提出了一种太赫兹波带量子级联激光器(quantum cascade laser，下文中，又称为QCL)，其中，被称为低损耗波导的双面金属波导(double-side metal waveguide，下文中，又称为DMW)被集成为谐振器。该元件通过在表面等离激元模式下把感应地发射的太赫兹波引导到谐振器结构(谐振器结构中金属放置在由大约10μm厚度的半导体薄膜形成的增益介质之上以及之下)而通过优异光封闭(confinement)和低损耗传播来获得大约3THz的激光振荡。

另一方面，已知多量子阱结构归因于对其施加的应变而改变其特性。在Sensors and Actuators,A,143(2008),230-236中，作出这样的报告：谐振隧道二极管(resonant tunnel diode，下文中，又称为RTD)的特性归因于对其施加的应变而改变。在Sensors and Actuators,A,143(2008),230-236中，观测到在接近100MPa的应力时负微分电阻的大约两倍的改变。此外，公开了一种具有如美国专利No.7,693,198中描述的波导的激光设备。

Appl.Phys.Lett.83,2124(2003)中公开的DMW具有这样的结构：其中，两个金属层夹住具有大约10μm的厚度的半导体层，并且通过使用金属接合技术等将半导体薄膜转移到不同衬底上来制造DMW。另一方面，其中层叠具有不同晶格常数和不同热膨胀系数的薄膜材料的结构通常已知易于归因于制造工艺而在其中产生残余应力。因此，在常规结构中，归因于制造工艺等的应变或缺陷可能改变作为增益介质的半导体薄膜的特性，从而导致振荡特性的恶化或不稳定性。

发明内容

已经鉴于上述问题作出了本发明。根据本发明的波导包括：第一导体层和第二导体层，其包括相对于波导模式下的电磁波具有负介电常数实部的负介电常数介质；以及核心层，其与第一导体层和第二导体层接触，并且被放置在第一导体层与第二导体层之间，并且包括半导体部分。包括半导体部分的核心层具有在面内方向上延伸的凹入凸出结构，此外，满足以下要求中的至少一个：

(1)凹入凸出结构被布置在与在波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上，并且具有多个凸出部分。

(2)凹入凸出结构具有小于λg/2的节距长度，其中，λg＝λ/n_e，λ是所述电磁波的波长，n_e是波导的等效折射率；以及

(3)凹入凸出结构具有小于100μm的节距长度。

根据本发明的波导具有其中包括半导体部分的核心层在面内方向上延伸的凹入凸出结构。因此，即使使用不同材料(例如负介电常数介质的第一导体层、包括半导体部分的核心层、以及负介电常数介质的第二导体层)的层叠结构，归因于由微小(minute)凹入凸出结构引起的减小应力的效应，由晶格常数差或热膨胀系数差产生的应变减小了。

更具体地说，存在以下三种情况：(1)凹入凸出结构被布置在与在波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上，并且具有多个凸出部分；(2)凹入凸出结构可以具有小于λg/2的节距长度，其中，λg＝λ/n_e，λ是电磁波的波长，n_e是波导的等效折射率；以及(3)凹入凸出结构可以具有小于100μm的节距长度。