[发明专利]一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器，包括依次设置的石英基底，硅薄膜，硅纳米针阵列结构和石墨烯薄膜；石墨烯薄膜为多层；并且提供了其制备方法。以石英作为基底材料，可减小器件基底对太赫兹波的插入损耗；在石英基底表面生成硅薄膜并制备硅纳米针阵列结构，可提高对泵浦光的利用率；以硅纳米针阵列结构和石墨烯薄膜的接触部位为工作源区，在泵浦光的激励下，实现对太赫兹波的有效调控。

技术领域

本发明涉及太赫兹波调控技术领域，更具体的说是涉及一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是指频率为0.1-10THz的电磁波，介于毫米波和红外光之间。与微波和光波相比，太赫兹波能量低、穿透力强、光谱信息丰富，在通信、安检、无损检测和医学成像等领域具有广泛的应用。但由于缺乏合适的太赫兹源和探测器，太赫兹波段长期无法被开发和利用。

近几年，随着太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的出现，太赫兹源和探测技术得到了推进和发展。然而，光控太赫兹调制器技术相对于太赫兹源和探测技术的发展还比较落后，限制了太赫兹技术的发展和应用。光控太赫兹调制器作为太赫兹技术的核心器件，其重要性不言而喻。

现有的太赫兹波调制器，一般分为电控调制器和光控调制器。电控调制器利用谐振增强特性提高透射率，调制深度高但是调制带宽窄。光控调制器利用光生载流子增加吸收率，具有高调制带宽，但是对泵浦光功率要求高，增加了成本和结构复杂性。同时，受材料的限制，调制器插入损耗大。

因此，针对现有光控太赫兹调制器运行功率高、插入损耗大、结构复杂的问题，研制一种运行功耗低、插入损耗小、结构简单的低成本太赫兹波光控调制器尤为迫切。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器，以石英作为基底材料，减小器件基底对太赫兹波的插入损耗；在石英基底表面生成硅薄膜并制备硅纳米针阵列结构，提高对泵浦光的利用率；以硅纳米针阵列结构和石墨烯薄膜的接触部位为工作源区，在泵浦光的激励下，实现对太赫兹波的有效调控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器，包括依次设置的石英基底，硅薄膜，硅纳米针阵列结构和石墨烯薄膜；石墨烯薄膜为多层。

本发明以石英为基底，可减少太赫兹波插入损耗；硅薄膜表面形成硅纳米针阵列结构，对泵浦光有极大的吸收能力，降低了泵浦光的反射率，从而提高泵浦光的利用率，降低功耗。当泵浦光激励照射在硅纳米针阵列结构中时产生陷光效应和震荡反馈效应，在硅纳米针阵列结构中产生大量光生载流子。由于石墨烯薄膜对可见光的吸收作用较弱，因而产生的光生载流子数量远远小于硅纳米针阵列结构中产生的光生载流子。因此，硅纳米针阵列结构中的大量光生载流子快速向石墨烯薄膜中迁移并达到平衡状态，并在硅纳米针阵列结构处形成载流子耗尽层。石墨烯薄膜由于受到大量扩散载流子的注入影响，载流子浓度快速提升，将导致太赫兹的透射率显著下降，进而在低功率泵浦光下即可实现对太赫兹波透射强度的深度调制。

优选地，石英基底厚度为300-500μm；硅薄膜为N型硅薄膜，厚度为80-200μm，电阻率为1000-5000Ω·cm；硅纳米针阵列结构的纳米针直径100-300nm，长度3-8μm；石墨烯薄膜为P型石墨烯，层数为2-4层。

N型硅薄膜和P型石墨烯形成的异质结结构促使硅中的光生载流子向石墨烯层快速扩散。光生载流子的产生和扩散，提高了石墨烯的电导率，增加对太赫兹波的吸收。通过改变泵浦光功率调节光生载流子的浓度，实现对太赫兹波的有效调控。

一种低功耗、低插损的光控太赫兹调制器的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用等离子增强化学气相沉积法于石英基底上生长出未掺杂硅薄膜，并进行掺杂，形成硅薄膜；