專利名稱：高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器及其調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，ITHz = IO12THz)波是指頻率在0. 1 IOTHz (對應(yīng)的波長為3_ 30 μ m)范圍的電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，太赫茲波具有透視性、安全性、高信噪比等許多優(yōu)越特性，在光譜、成像和通信等領(lǐng)域具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。太赫茲通信具有頻段資源豐富、帶寬達(dá)、保密性好、抗電磁干擾，可實現(xiàn)室內(nèi)短距離或空間保密無線通信，傳輸速率可達(dá)1 10(ibpS等優(yōu)點，因此太赫茲波在通信領(lǐng)域應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。而太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。近年來，眾多的太赫茲調(diào)制器被提出，包括基于量子阱、光子晶體、半導(dǎo)體硅、超材料等的太赫茲調(diào)制器，按調(diào)制方式可以分為調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻等，按控制方式又可分為電控、磁控、光控、壓電等類型。太赫茲調(diào)制器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是工作中心頻率、工作帶寬、調(diào)制速率和響應(yīng)時間、調(diào)制深度、插入損耗、傳輸損耗等。例如，一種基于一維光子晶體砷化鎵缺陷的光控超快太赫茲強度調(diào)制器，其工作頻率0. 6THZ，調(diào)制帶寬16GHz，調(diào)制深度50%，響應(yīng)時間 130ps[L. Fekete et al.，Opt. Lett 32，680-682 (2007)]。一種基于超材料的太赫茲振幅和相位調(diào)制器，其工作頻率0. 81THz，調(diào)制帶寬約20GHz，調(diào)制深度55%，調(diào)制速率2ΜΗζ [H. Τ. Chen et al.，Appl. Phys. Lett 93,091117 (2008) ] 目前的太赫茲調(diào)制器存在以下問題工作頻率主要在低頻、毫米波段；調(diào)制帶寬窄，一般只有幾個GHz ；調(diào)制速率低，最高調(diào)制速率一般在MHz量級，無法發(fā)揮太赫茲波高載波頻率大傳輸帶寬的優(yōu)勢；調(diào)制深度小，一般在50%以內(nèi)，并且這一指標(biāo)隨著調(diào)制速率和工作頻率的升高而迅速下降。現(xiàn)有能實現(xiàn)調(diào)制功能的材料在太赫茲波段十分有限，它們都往往伴隨強烈的太赫茲吸收損耗；而如高阻硅、聚合物等低損耗的太赫茲材料載流子復(fù)合時間長、非線性系數(shù)小，難以實現(xiàn)高速、大調(diào)制深度的太赫茲調(diào)制。二氧化釩(VO2)是一種相變鐵電材料，它在溫、光或電場下發(fā)生電介質(zhì)到金屬的轉(zhuǎn)變(溫度臨界溫度340K，光照皮秒或飛秒脈沖)，其電導(dǎo)率可以有3到5個數(shù)量級的變化。介質(zhì)相時，太赫茲波能良好透過VO2薄膜，金屬相時，太赫茲波被VA薄膜反射。文獻(xiàn)表明，用飛秒激光泵浦VA薄膜，其對太赫茲波的調(diào)制響應(yīng)時間極短，小于 Ips (lps = IO12S) [S. B. Choi et al.，Appl. Phys. Lett 98，071105(2011)]o VO2是一種非常有前途的太赫茲功能材料，尤其是高速調(diào)制器件方面。如何利用現(xiàn)有的太赫茲功能材料，研制出工作帶寬大、調(diào)制速率快、調(diào)制深度大的太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能對太赫茲波進(jìn)行高速調(diào)制的光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器，解決背景技術(shù)中太赫茲調(diào)制器的調(diào)制帶寬窄、調(diào)制速率低、調(diào)制深度小等關(guān)鍵技術(shù)問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為在有線缺陷波導(dǎo)的硅光子晶體柱陣列表面鍍上一層二氧化釩薄膜，在室溫下無激光輻照時二氧化釩薄膜為介質(zhì)相，器件表現(xiàn)出介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)的帶隙性質(zhì)；而當(dāng)有激光輻照光子晶體柱表面時，二氧化釩薄膜發(fā)生相變，器件表現(xiàn)為金屬光子晶體波導(dǎo)的帶隙性質(zhì)。由于同一結(jié)構(gòu)的介質(zhì)和金屬光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)帶是完全不同的，因此可以實現(xiàn)寬帶強度調(diào)制和頻率調(diào)制。本發(fā)明利用二氧化釩的電介質(zhì)-金屬相變性質(zhì)將兩種不同性質(zhì)的光子晶體結(jié)合起來實現(xiàn)一種全新的光控高速太赫茲調(diào)制器件。高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器包括硅光子晶體柱陣列、二氧化釩薄膜、線缺陷、硅基底、太赫茲源、泵浦激光源，其中硅光子晶體柱陣列和線缺陷形成光子晶體波導(dǎo)，二氧化釩薄膜鍍在硅光子晶體柱陣列表面。硅光子晶體柱中使用的硅為高阻硅，阻值6000 Ω · cm以上。在高阻硅片上采用MEMS離子束深度蝕刻工藝得到硅光子晶體柱陣列，柱高大于100 μ m。在硅光子晶體柱表面鍍二氧化釩薄膜的工藝方法為采用磁控濺射方法在加工好的硅光子晶體柱上鍍一層金屬釩，再使用氧化法使金屬釩轉(zhuǎn)化為二氧化釩薄膜。二氧化釩薄膜在介質(zhì)相時的電導(dǎo)率小于0.1 (Ω cm)—1，在金屬相時的電導(dǎo)率大于2000( Ω · cm)、厚度大于800nm。使用太赫茲源為寬帶太赫茲源，由太赫茲光電導(dǎo)天線產(chǎn)生，輻射頻率0. 1 3THZ。用于光控調(diào)制的激光光源為飛秒或皮秒脈寬的超短脈沖激光器，泵浦光輻照到光子晶體上的光斑直徑大于0. 5mm，泵浦光能量密度不小于lOmJ/cm2。高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的調(diào)制方法是由超短脈沖激光發(fā)出的飛秒或皮秒脈沖側(cè)向輻照到鍍二氧化釩薄膜的光子晶體波導(dǎo)表面，通過不同輻照強度對該太赫茲調(diào)制器進(jìn)行強度調(diào)制和頻率調(diào)制。本太赫茲調(diào)制器根據(jù)泵浦光輻照強度的范圍大小可以實現(xiàn)三種調(diào)制(1)在室溫下無激光輻照時二氧化釩薄膜為介質(zhì)相，器件表現(xiàn)出硅光子晶體的帶隙性質(zhì)，導(dǎo)帶范圍內(nèi)頻率的太赫茲波可以在光子晶體線缺陷波導(dǎo)中傳播，其透過率大于90%。隨著泵浦光強的增大，其透過率下降，泵浦光強至0.5mJ/cm2量級時，太赫茲波不能通過光子晶體波導(dǎo)，這一過程實現(xiàn)對太赫茲波從帶通導(dǎo)光到損耗的強度調(diào)制。( 泵浦光強繼續(xù)增強，二氧化釩薄膜開始轉(zhuǎn)化為金屬相，光子晶體表現(xiàn)出金屬光子晶體的帶隙性質(zhì)，在新的導(dǎo)帶頻率范圍內(nèi)太赫茲波又可以在光子晶體線缺陷中傳輸，泵浦光強至15mJ/cm2量級時，通帶透過率大于90%，這一過程實現(xiàn)對太赫茲波從損耗到新的通帶導(dǎo)光的強度調(diào)制。(3)以上兩個過程中，由于同一結(jié)構(gòu)的介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)和金屬光子晶體波導(dǎo)的帶隙是完全不同的，因此通帶所在的頻率范圍發(fā)生明顯變化，使得在無泵浦光和高強度泵浦的兩個不同狀態(tài)下，該太赫茲調(diào)制器透過不同頻率的太赫茲波，實現(xiàn)頻率調(diào)制。本發(fā)明的優(yōu)點是該太赫茲調(diào)制器調(diào)制帶寬大，超過IOOGHz ；調(diào)制方式靈活多樣，可實現(xiàn)多工作窗口強度調(diào)制和頻率調(diào)制；調(diào)制深度超過90% ；響應(yīng)時間短，調(diào)制速率達(dá)IOGbps ；通帶透過率高，傳輸損耗?。唤Y(jié)構(gòu)和調(diào)制方法簡單，便于小型化和集成化，滿足太赫茲通信系統(tǒng)的要求。


圖1 (a)是高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的上視圖和前視圖；圖1 (b)是高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的三維示意圖2(a)是無激光泵浦時鍍二氧化釩薄膜的光子晶體波導(dǎo)的帶隙結(jié)構(gòu)圖；圖2 (b)是泵浦大于lOmJ/cm2時鍍二氧化釩薄膜的光子晶體波導(dǎo)的帶隙結(jié)構(gòu)圖；圖3(a)是不同輻照下高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器從介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)到損耗過程的強度調(diào)制示意圖；圖3(b)是不同輻照下高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器從損耗到金屬光子晶體波導(dǎo)過程的強度調(diào)制示意圖；圖3(c)是高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器從介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)到金屬光子晶體波導(dǎo)的頻率調(diào)制示意圖；圖4(a)是0. 9THz頻率下無激光泵浦時，高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的穩(wěn)態(tài)傳輸示意圖，表現(xiàn)出介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)導(dǎo)帶外的傳輸性質(zhì)；圖4(b)是0. 9THz頻率下泵浦大于lOmJ/cm2時，高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的穩(wěn)態(tài)傳輸示意圖，表現(xiàn)出金屬光子晶體波導(dǎo)導(dǎo)帶內(nèi)的傳輸性質(zhì)。圖中硅光子晶體柱1、二氧化釩薄膜2、光子晶體線缺陷波導(dǎo)3、硅基底4、太赫茲源5、超短脈沖泵浦光6。
具體實施例方式本發(fā)明的工作過程以工作在ITHz附近的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器實例說明如圖1(a)所示，硅光子晶體柱中使用的硅為高阻硅，阻值6000 Ω · cm以上。在0. 4mm厚雙面拋光高阻硅片上采用MEMS離子束深度蝕刻工藝得到硅光子晶體柱陣列，柱高100 μ m,柱直徑100 μ m,相鄰柱間距160 μ m,硅基底厚300 μ m，長10mm，寬4mm。采用磁控濺射方法在加工好的硅光子晶體柱上鍍一層金屬釩，再使用氧化法使金屬釩轉(zhuǎn)化為二氧化釩薄膜。二氧化釩薄膜在介質(zhì)相時的電導(dǎo)率小于0.1(Ω · cm)—1，在金屬相時的電導(dǎo)率大于2000( Ω · cm)、厚度為Ιμπι。如圖1(b)所示，中心波長SOOnm摻鈦藍(lán)寶石鎖模激光器作為泵浦源，脈寬lOOfs，泵浦光輻照到光子晶體上的光斑直徑大于0. 5mm,泵浦光能量密度不小于lOmJ/cm2。使用的太赫茲源為寬帶太赫茲源，由同樣的飛秒激光泵浦太赫茲光電導(dǎo)天線產(chǎn)生，輻射頻率0. 1 3THz。由摻鈦藍(lán)寶石鎖模激光器發(fā)出的飛秒脈沖輻照到高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器表面，通過不同輻照強度對該太赫茲調(diào)制器進(jìn)行強度調(diào)制和頻率調(diào)制。如圖3(a)所示，在室溫下無激光輻照時二氧化釩薄膜為介質(zhì)相，其電導(dǎo)率為0. 1(Ω · cm)—1，器件表現(xiàn)出硅光子晶體的帶隙性質(zhì)(如圖2 (a))，0. 68 0. 8THz和1. 02 1. 25THz頻率范圍的太赫茲波可以在光子晶體線缺陷波導(dǎo)中傳播，其透過率大于90%。隨著泵浦光強的增大，其透過率下降，泵浦光強至0. 5mJ/cm2量級時，二氧化釩薄膜電導(dǎo)率增加到50 ( Ω κπιΓ1，太赫茲波因為損耗而不能通過光子晶體波導(dǎo)(如圖4(a))，這一過程可以實現(xiàn)對太赫茲波從帶通導(dǎo)光到損耗的強度調(diào)制。如圖3(b)所示，泵浦光強繼續(xù)增強，二氧化釩薄膜開始轉(zhuǎn)化為金屬相，光子晶體表現(xiàn)出金屬光子晶體的帶隙性質(zhì)(如圖2(b))，在0. 8 1. 5ΤΗζ頻率范圍內(nèi)太赫茲波又可以在光子晶體線缺陷中傳輸(如圖4(b))，泵浦光強至15mJ/cm2量級時，通帶透過率大于90%，這一過程實現(xiàn)對太赫茲波從損耗到新的通帶導(dǎo)光的強度調(diào)制。如圖3(b)所示，以上兩個過程中，由于同一結(jié)構(gòu)的介質(zhì)光子晶體和金屬光子晶體的帶隙是完全不同的，因此通帶所在的頻率范圍發(fā)生明顯變化，使得在無泵浦光和高強度泵浦光兩種不同條件下，該太赫茲調(diào)制器透過不同頻率的太赫茲波，實現(xiàn)通帶從0. 68 0. 8THz到0. 8 1. 02THz的頻率調(diào)制。二氧化釩在飛秒激光泵浦下電介質(zhì)-金屬相變響應(yīng)時間小于lps，因此器件的調(diào)制速率達(dá)10(ibps。 該工作在ITHz附近的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器可以實現(xiàn)0. 68 0. 8THz、1. 02 1. 25THz和0. 8 1. 5THz三個頻率窗口的強度調(diào)制，通帶從0. 68 0. 8THz到0. 8 1. 02THz的頻率調(diào)制，調(diào)制帶寬均超過100GHz，調(diào)制深度超過90%，調(diào)制速率達(dá)10(ibpS，解決了太赫茲調(diào)制器的調(diào)制帶寬窄、調(diào)制速率低、調(diào)制深度小等關(guān)鍵技術(shù)問題，滿足高速寬帶太赫茲通信的要求。
權(quán)利要求
1.一種高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器，其特征在于包括硅光子晶體柱陣列(1)、二氧化釩薄膜( 、線缺陷C3)、硅基底(4)、太赫茲源( 、泵浦激光源(6)，其中硅光子晶體柱陣列(1)和線缺陷(3)形成光子晶體波導(dǎo)(7)，二氧化釩薄膜(2)鍍在硅光子晶體柱陣列(1)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器，其特征在于硅光子晶體柱陣列(1)中使用的硅為高阻硅，阻值6000 Ω · cm以上；工藝方法是在高阻硅片上采用MEMS離子束深度蝕刻工藝得到硅光子晶體柱陣列，柱高大于100 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器，其特征在于在硅光子晶體柱(1)表面鍍二氧化釩薄膜O)的工藝方法為采用磁控濺射方法在加工好的硅光子晶體柱上鍍一層金屬釩，再使用氧化法使金屬釩轉(zhuǎn)化為二氧化釩薄膜O) ；二氧化釩薄膜(2)在介質(zhì)相時的電導(dǎo)率小于0. 1(Ω · cm)—1，在金屬相時的電導(dǎo)率大于2000 (Ω · cm)—1，厚度大于800nmo
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器，其特征在于泵浦激光源(6)為飛秒或皮秒脈寬的超短脈沖激光器，泵浦光輻照到光子晶體上的光斑直徑大于0. 5mm，泵浦光能量密度不小于lOmJ/cm2。
5.一種使用權(quán)利1所述的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的調(diào)諧方法，其特征在于由泵浦激光源(6)發(fā)出的飛秒或皮秒脈沖側(cè)向輻照到鍍二氧化釩薄膜的光子晶體波導(dǎo)表面，通過不同輻照強度對該太赫茲調(diào)制器進(jìn)行強度調(diào)制和頻率調(diào)制。
6.根據(jù)權(quán)利5所述的高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器的調(diào)諧方法，其特征在于根據(jù)泵浦光輻照強度的大小可以實現(xiàn)三種調(diào)制方式第一，在室溫下無激光輻照時二氧化釩薄膜為介質(zhì)相，器件表現(xiàn)出硅光子晶體的帶隙性質(zhì)，導(dǎo)帶范圍內(nèi)頻率的太赫茲波可以在光子晶體線缺陷波導(dǎo)中傳播，其透過率大于90%。隨著泵浦光強的增大，其透過率下降，泵浦光強至0. 5mJ/cm2量級時，太赫茲波不能通過光子晶體波導(dǎo)，這一過程實現(xiàn)對太赫茲波從帶通導(dǎo)光到損耗的強度調(diào)制；第二，泵浦光強繼續(xù)增強，二氧化釩薄膜開始轉(zhuǎn)化為金屬相，光子晶體表現(xiàn)出金屬光子晶體的帶隙性質(zhì)，在新的導(dǎo)帶頻率范圍內(nèi)太赫茲波又可以在光子晶體線缺陷中傳輸，泵浦光強至15mJ/cm2量級時，通帶透過率大于90%，這一過程實現(xiàn)對太赫茲波從損耗到新的通帶導(dǎo)光的強度調(diào)制；第三，由于同一結(jié)構(gòu)的介質(zhì)和金屬光子晶體波導(dǎo)的帶隙是完全不同的，因此通帶所在的頻率范圍發(fā)生明顯變化，使得在無泵浦光和高強度泵浦的兩個不同狀態(tài)下，該太赫茲調(diào)制器透過不同頻率的太赫茲波，實現(xiàn)頻率調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速光子晶體波導(dǎo)太赫茲調(diào)制器。在有線缺陷波導(dǎo)的硅光子晶體柱陣列表面鍍上一層二氧化釩薄膜，在室溫下無激光輻照時二氧化釩薄膜為介質(zhì)相，器件表現(xiàn)出介質(zhì)光子晶體波導(dǎo)的帶隙性質(zhì)；而當(dāng)有激光輻照光子晶體柱表面時，二氧化釩薄膜發(fā)生相變，器件表現(xiàn)為金屬光子晶體波導(dǎo)的帶隙性質(zhì)。由于同一結(jié)構(gòu)的介質(zhì)和金屬光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)帶是完全不同的，可以實現(xiàn)光控高速寬帶太赫茲強度調(diào)制和頻率調(diào)制。該太赫茲調(diào)制器調(diào)制帶寬大，超過100GHz；調(diào)制方式靈活多樣，可實現(xiàn)多工作窗口強度調(diào)制和頻率調(diào)制；調(diào)制深度超過90％；響應(yīng)時間短，調(diào)制速率達(dá)10Gbps；結(jié)構(gòu)和調(diào)制方法簡單，便于小型化和集成化，滿足太赫茲通信系統(tǒng)的要求。
文檔編號G02F1/025GK102393571SQ201110350710
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者常勝江, 范飛 申請人:南開大學(xué)