[发明专利]一种基于三维狄拉克半金属椭圆纤维的太赫兹波混合模式波导结构

说明书

本发明涉及一种基于三维狄拉克半金属椭圆纤维的太赫兹波混合模式波导结构，该结构包括硅介质底层(1)、样品槽(2)、椭圆三维狄拉克半金属纤维(4)和背电极掺杂硅层(6)；所述的样品槽(2)位于硅介质底层(1)上方，所述的椭圆三维狄拉克半金属纤维(4)位于样品槽(2)上方，所述的背电极掺杂硅层(6)位于椭圆三维狄拉克半金属纤维(4)侧方。与现有技术相比，本发明的混合模式波导具有调制深度大和损耗低的综合优势。通过改变样品槽的介质，传播长度的调制深度可达69％。调节三维狄拉克半金属的费米能级(0.05‑0.15eV),传播长度可到1.10×10⁵μm，归一化模式面积可达3.09×10^‑3，优化因子可超过5.0×10³，传播长度的调制深度可超过90％。

技术领域

本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，具体涉及一种基于三维狄拉克半金属椭圆纤维的太赫兹波混合模式波导结构。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率介于0.1-10THz，波长范围在0.03-3mm之间的电磁波，介于毫米波与红外光之间。由于太赫兹波具有较低的光子能量(1THz＝4.1meV)、超大的传输容量和超强的穿透能力等优良特性，因其在无线安全通信、生物样品检测、成像以及材料光谱分析等应用领域具有独特的优势和广阔的应用前景。例如，THz波可以为超快未来无线通信系统提供10Gbps的数据传输速率，比目前的通信速度高出2倍，从而为增加数据容量提供巨大的带宽。为推进太赫兹技术的应用发展，对波导技术提出了更高的要求，需要对THz波实现有效操控，这是目前THz技术的研究热点和核心研究内容之一。缺乏合适的波导传输技术和功能器件是制约太赫兹波技术进一步发展的重要原因。常见的波导传输方式主要有光纤波导、表面等离子激元波导和光子晶体波导等。

表面等离激元(surface plasmons,SPs)是入射电磁波与金属表面的自由电子相互作用产生的一种表面电磁波，发生在介电常数符号相反的两种介质界面。由于表面等离激元具有突破衍射极限的能力而受到广泛的关注，常见的表面等离子波导有金属线、金属-介质-金属、介质-金属-介质和金属V型槽等波导。传统表面等离子激元波导的损耗较高，降低了传播模的品质因子和传播距离，在很大程度上制约了功能器件的发展。混合模式波导将表面等离子激元和介质纤维波导的优势结合起来，其原理是利用高-低介电常数介质界面电矢量连续性原理以及金属(半导体-介质界面表面等离子体效应形成一种“混合模式”)，这种波导结构具有很强的模式局域能力，较低的传输损耗，抗干扰能力强，更易于芯片集成，便于大规模生产。

三维狄拉克半金属，一种新型的量子材料，由于其能带的导带和价带在狄拉克点接触，并且在三维动量空间中表现出线性色散关系，可以看成是“三维石墨烯”，例如Na₃Bi、Cd₃As₂和AlCuFe准晶体。由于晶体对称性保护导致超高载流子迁移率，在5K时高达9×10⁶cm²V^-1s^-1，具有较低的固有损耗。三维狄拉克半金属作为一种光敏材料可以表现出优异的光学性能，并且可以作为一种体材料与光进行更强烈的相互作用以增强响应性。更为重要的是，三维狄拉克半金属的介电功能可以通过改变其费米能级进行动态调节，可作为高性能混合表面等离激元波导的优选调控材料。

2020年，H.Xiong等人利用电控和温控方法演示了一种基于三维狄拉克半金属和钛酸锶THz超材料吸收器，通过将三维狄拉克半金属图案的费米能级调整从10meV到80meV，峰值吸收率可以从70％连续调谐到99.9％，并且吸收频率点从3.26THz移动到4.82THz，钛酸锶超材料的温度在200K到300K之间变化，吸收峰值可以在2.66THz到3.69THz之间动态控制。