[发明专利]基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及系统和方法

说明书

本发明提供一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法和调制系统，太赫兹调制器从下至上依次包括：底层的Al₂O₃衬底、SiO₂隔离层、硅基微结构、Al₂O₃钝化层，硅基微结构在SiO₂隔离层上周期性排列，每个硅基微结构包括两层正方形Si基台阶结构，调制系统包括：半导体激光器、激光调制器、太赫兹调制器、太赫兹辐射源、太赫兹探测器，本发明对于0.4THz～0.85THz的太赫兹波具有22％以下的反射率，在0.82THz处达到最低18％，可显著降低调制器件对太赫兹波的反射率，提高太赫兹波的利用率；在功率为1200mw的808nm激光照射下达到64.5％的调制深度；太赫兹成像扩散区域相较于传统硅基太赫兹调制器，有效提高成像系统中的分辨率达到21.9％以上。

技术领域

本发明属于太赫兹技术与应用领域，涉及太赫兹成像系统及相关领域的太赫兹幅度调制器件，具体为一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于SOI上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。

背景技术

太赫兹指的是频率范围在0.1THz到10THz，波长从0.03mm到3mm的范围内的电磁波。相比于X射线，太赫兹波可以很好的穿透很多非极性材料及介电材料，可以对不透明物体进行透视成像；太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏特(meV)量级，小于各种化学键的键能，从而无法引起各种有害的电离反应；同时，由于水对太赫兹有很强的吸收效果，使得太赫兹辐射无法穿透人体或其他生物的皮肤，这为太赫兹波在安检领域作为X射线的补充与替代打下了基础。

对于光控太赫兹调制器而言，其调制信号来源于外加的激励激光，当入射激光的光子能量大于硅的禁带宽度时，硅内部的基态电子吸收光子所携带的能量而跃迁至激发态，形成载流子，称为“光生载流子”，这一过程称为”光掺杂“，这种作用会导致器件中非平衡载流子浓度的增大，进而导致加激光前后，器件电导率发生变化，加激光后电导率提高，太赫兹波穿过时的衰减增强，穿过器件透射的太赫兹波的幅值降低，从而起到调制的作用。

传统的光控太赫兹调制器存在三个主要问题，其一是太赫兹波插入损耗过高，传统高阻硅太赫兹调制器对太赫兹波的反射高达30％，这在目前太赫兹辐射源功率普遍较低，太赫兹探测器灵敏度相对不高的情况下，是一种极大的损失，2014年，Yan Peng、XiaoFei Zang等人制备出一种基于双层掺杂硅光栅结构的太赫兹完美吸收器，通过光栅阵列来激发气隙模式共振，经过一系列的参数优化，最终达到对太赫兹波95％的吸收率，即对太赫兹波反射率只有5％，有效的解决了太赫兹波传输中的插入损耗问题；其二是调制深度问题，当前传统硅基光控太赫兹幅度调制器的调制深度相对较低，难以满足当前太赫兹成像系统的要求；其三是载流子扩散问题，光控太赫兹调制器的调制激光入射到调制器表面时，产生的光生载流子会扩散到调制激光信号周围，产生较大的相应区域，这不利于太赫兹成像精度的提高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器及其制备方法、以及基于SOI上硅基微结构的光控太赫兹调制系统。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于SOI上硅基微结构的太赫兹调制器，从下至上依次包括：底层的Al₂O₃衬底12、SiO₂隔离层11、硅基微结构10、Al₂O₃钝化层9，硅基微结构10在SiO2隔离层11上周期性排列，每个硅基微结构10包括两层正方形Si基台阶结构，从上至下分别为上层Si基台阶101和下层Si基台阶102，上层Si基台阶101和下层Si基台阶102的中心对齐，上层Si基台阶101的边长小于下层Si基台阶102的边长。