[发明专利]一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器，包括硅基底，硅微纳米结构和二维薄膜材料；硅微纳米结构位于硅基底表面；二维薄膜材料设置于硅微纳米结构上；并且公开了其制备方法。本发明在硅基底上设置硅微纳米结构，利用泵浦光在硅微纳米结构中的陷光效应与多次震荡反馈激发效应，有效提高调制器件对泵浦光激励的光电转化效率，在极低的泵浦光功率下实现对太赫兹波的调控。

技术领域

本发明涉及太赫兹波应用领域，更具体的说是涉及一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是处于微波和红外波之间的电磁波，具有携带信息量丰富、亚皮秒脉宽、抗干扰、高时空相干性、低光子能量等特征。随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹科学逐渐在无线通信、成像、雷达以及国防安全等领域呈现出非常广阔的应用前景。

近年来，纳米材料科学取得长足发展，新型二维纳米薄膜材料因其独特的晶体结构与电学特性获得广泛关注。其中，2010年获得诺贝尔物理学奖的石墨烯，因其独特的单原子二维平面晶体结构和双极性电子能带结构，而具有优异的电子迁移性能，在光电子器件与微电子器件领域，相较于传统硅基材料具有明显优势，且制备方法简单，与现有微电子工艺相兼容，易于进行集成化生产。石墨烯二维平面结构中碳原子之间由共价键结合，使其具有优良的柔性和优异的力学性能，化学稳定性高；石墨烯中的狄拉克电子在狄拉克点附近呈现线性能量-动量色散关系，使其拥有超高的载流子迁移率和电导率。

现有的基于二维薄膜材料的太赫兹调制器，一般可分为电压调控技术与全光控调制技术。电压调控技术利用外加栅场电压对二维材料的费米能级进行调控，其调控深度较低。将二维薄膜材料与超结构阵列材料相结合，虽然在电压的调控下可以获得较高的调制深度，但是其调制带宽往往较窄。另一方面，现有的基于二维薄膜材料的全光控调制技术，虽然可以获得较高的调制深度与调制带宽，但是需要高功率的泵浦光激励，功耗较高，更为重要的是，大功率激光器不但增加了系统的制造成本，而且受到衬底反射作用的影响，反射光会对系统的稳定性、可靠性与安全性造成重大隐患。

因此，如何提供一种在低功率泵浦光下具有较大光调制深度的太赫兹调制器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器及其制备方法，该太赫兹调制器可在极低的泵浦光功率下实现对太赫兹波的调制，在900mW的泵浦光功率下调制深度可达90％以上。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于硅微纳米结构的太赫兹调制器，包括硅基底，硅微纳米结构和二维薄膜材料；硅微纳米结构位于硅基底表面；二维薄膜材料设置于硅微纳米结构上。

当泵浦光激励照射在硅微纳米结构中时产生光的震荡反馈效应，在硅微纳米结构中产生大量光生载流子。由于二维薄膜材料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微纳米结构中产生的光生载流子。因此，硅微纳米结构中的大量光生载流子快速向二维薄膜材料中迁移并达到平衡状态，并在靠近二维薄膜材料一侧的硅微纳米结构中形成载流子耗尽层。二维薄膜材料由于受到大量扩散载流子的注入影响，二维薄膜材料的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，硅基底为N型硅或P型硅，电阻率为500-10000Ω·cm，厚度200-400μm。

优选地，硅微纳米结构与硅基底为同一种掺杂硅。

优选地，硅微纳米结构为硅纳米线、硅微纳米金字塔中的一种或二者的复合结构；硅纳米线长度为1-15μm；硅微纳米金字塔高度为1-15μm。