[发明专利]一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器

说明书

本发明提出了一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、渐变耦合输入波导、线缺陷传输波导、多个L3型光子微腔，以及多个太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板由若干晶体单元组成，每个晶体单元上晶格周期排列形成三角晶格结构，不同的晶体单元上水平晶格常数不同，而垂直晶格常数相同，以此保持晶体单元分块的水平拼接对应；每个晶体单元上设置一个L3型光子微腔，每个L3型光子微腔上设置一个太赫兹探测器，各个晶体单元通过线缺陷传输波导连接，二维光子晶体平板通过渐变耦合输入波导与外接输入波导连接。本发明能够同时检测多个频段的太赫兹信号。

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术，具体涉及一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器。

背景技术

太赫兹频谱通常是指0.1THz到10THz之间的频谱区域，对应波长在30-3000μm，它的特殊光谱位置决定其在生物成像和高速无线通信具有不可取代的应用。太赫兹探测器作为太赫兹探测领域必不可少的器件，如何制作结构简单、易于集成的探测器仍然是太赫兹领域亟待解决的问题。相较于介质中的电子，太赫兹光波难以限制和存储，而且速度很难操控。而光子晶体有望解决这一问题，可以让人们操纵介质中的光波。光子晶体是一种介电常数随空间位置周期变化的新型功能材料，其最基本的特征就是具有光子带隙，落入该带隙内的光子无法传播。光子晶体的应用就依赖于加入缺陷来干扰周期性，从而引入局域光子模，为后续的太赫兹探测奠定基础。

更重要的是，由于微纳加工手段与太赫兹科学与技术的发展，集成光子晶体的太赫兹探测器有望解决太赫兹通信技术中的多频谱功能和太赫兹信号处理的功能的技术难题。由于光子晶体自身特点，其设计一般只有单一频率的滤波模块，无法实现多个频段耦合滤波；多个耦合滤波模块通过拼接组合在同一块光子晶体平板上通常会因为晶格失配而丧失其之前的各频段耦合谐振和滤波的功能。尤其在太赫兹波段，入射太赫兹信号的波长通常在100微米以上，光子晶体波导的尺寸相比于光波段要大得多，太赫兹波在传播过程中存在很大的衰减，大大减少了探测器耦合的能量，从而降低了探测器的灵敏度。因此实现衰减小，同时具有多个耦合谐振与滤波功能的片上波导型太赫兹探测器是太赫兹探测技术领域科学家梦寐以求的目标。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有多频段耦合谐振、线性滤波功能的集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种集成硅光子晶体波导的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、渐变耦合输入波导、线缺陷传输波导、多个L3型光子微腔，以及多个太赫兹探测器，其中：

二维光子晶体平板由若干晶体单元组成，每个晶体单元上晶格周期排列形成三角晶格结构，不同的晶体单元上水平晶格常数不同，而垂直晶格常数相同，以此保持晶体单元分块的水平拼接对应；

每个晶体单元上设置一个L3型光子微腔，每个L3型光子微腔上设置一个太赫兹探测器，各个晶体单元通过线缺陷传输波导连接，二维光子晶体平板通过渐变耦合输入波导与外接输入波导连接。

进一步的，所述二维光子晶体平板通过在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，各晶体单元上圆形空气通孔的半径相同。

进一步的，所述二维光子晶体平板上晶体单元的水平晶格常数从左到右依次递减或者递增，实现太赫兹信号的线性滤波和探测。

进一步的，所述二维光子晶体平板上晶体单元的水平晶格常数、垂直晶格常数与谐振频率有关，具体确定方法为：

首先根据多频段的中心频率ω_c，结合计算与目标中心频段波长λ对应的晶格常数a，并通过CST仿真调整，其中a是通常意义的晶格常数，由此得到三角周期排列的晶体结构，在二维坐标下水平晶格常数a_x和垂直晶格常数a_y为a_x＝a,λ是中心频段波长；