基于硅基微纳米混合结构的光控太赫兹调制技术研究

摘要

太赫兹波（Terahertz，简称THz）是一个尚未完全开发的电磁波频段，因其具有独特的性质与良好的应用前景使得人们对其越来越重视。THz波频率较高，同时其光子能量较低，使得其在通信、医疗成像、生物安检、环境检测等领域具有非常好的实用价值。近年来，THz辐射源与THz探测传感器等收发器件的关键技术得到了解决，但于此同时必须看到，THz相关的吸收器、开关、谐振器、滤波器、天线、调制器等中间器件依然处于研究阶段，其中，应用于THz通信与THz成像系统的THz调制器更是THz相关领域研究中迫切需要解决的问题。 本文提出了一种基于硅基微纳米混合结构的THz光控调制器，研究了其在激光作用下对THz波的调制性能。硅基微纳米混合结构由硅基微结构与硅纳米线两种硅基结构组合而成，其同时具有硅基微结构对THz波减反增透的特性和硅纳米线对可见光减反的特性。在不加激光时，硅基微纳米混合结构对THz波的透射在0.4THz~0.85THz频率范围内保持在75%以上，最高达到85%，远远高于普通高阻硅的67%；对可见光波段的减反测试表明，硅基微纳米混合结构对400nm~850nm的可见光反射率低于20%，表现出良好的减反特性；在808nm激光照射下研究其对THz调制性能，1200mW激光照射下，硅基微纳米混合结构最大调制深度达到42.5%，同时，通过对相同激光强度下不同样品调制深度与不同长度硅纳米线样品对可见光反射率曲线的对比，验证了其调制深度与其对可见光反射率成负相关；同时在808nm激光下对硅基微纳米混合结构的THz空间调制性能进行了理论分析与实验验证，验证了硅基微纳米混合结构在THz调制过程中具有抑制载流子扩散，提高THz成像分辨率的作用；最后，基于硅基微纳米混合结构制备了两种可见光-THz波双频段吸收器，第一种吸收器由硅基微纳米混合结构生长Au层制备而来，它对太赫兹波的稳定吸收带宽为0.66THz，在0.26THz~0.92THz频率范围内对太赫兹波具有74%以上的吸收率，在0.75THz频率处达到吸收率峰值84.5%；第二种吸收器是在硅基微结构基础上进行掺杂得到低阻硅层，它对太赫兹波的稳定吸收带宽为0.74THz，在0.16THz~0.90THz频率范围吸收率保持在35.2%以上，并且在0.69THz达到吸收率峰值40.1%。

目录

第一章 绪 论

1.1 太赫兹波简介与研究背景

1.2 太赫兹调控技术

1.3 论文研究内容

第二章 硅基微结构的制备与研究

2.1 硅基微结构简介

2.2 硅基微结构太赫兹减反理论

2.3 硅基微结构太赫兹透射电磁仿真

2.4 硅基微结构制备方案

2.4.1 清洗工艺

2.4.2 氧化工艺

2.4.3 光刻工艺

2.4.4 干法刻蚀工艺

2.5.1 太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统

2.5.2 硅基微结构太赫兹透射性能

2.6 本章小结

第三章 硅基微纳米混合结构及其制备

3.1 硅纳米线简介

3.2 硅基光控太赫兹调制器的调制机理

3.3 硅纳米线对可见光的减反作用理论分析

3.4 基于硅基微纳米混合结构的太赫兹调制器设计

3.5 硅纳米线制备方法简介

3.6 硅基微纳米混合结构制备流程

3.7 硅基微纳米混合结构形貌表征

3.7.1 Ag原子沉积形貌表征

3.7.2 硅基微纳米混合结构形貌表征

3.7.3 不同长度硅纳米线形貌表征

3.8 硅基微纳米混合结构对激光减反性能表征

3.9 本章小结

第四章 硅基微纳米混合结构太赫兹调制性能研究

4.1 硅基微纳米混合结构对太赫兹增透效果

4.2 硅基微纳米混合结构在808 nm激光下对太赫兹波的调制

4.2.1 硅基微纳米混合结构对太赫兹调制时域谱

4.2.2 硅基微纳米混合结构对太赫兹调制频域谱

4.2.3 硅基微纳米混合结构对太赫兹调制透射谱

4.2.4 硅基微纳米混合结构对太赫兹调制调制深度谱

4.4 硅基微纳米混合结构对太赫兹空间调控性能研究

4.4.1 光生载流子的扩散运动

4.4.2 载流子扩散对成像分辨率的影响

4.4.3 硅基微结构对载流子扩散的影响

4.4.4 太赫兹空间调制过程与结果

4.5 本章小结

第五章 基于硅基微纳米混合结构的可见光-太赫兹双频带吸收器

5.1 太赫兹吸收器简介

5.2 可见光-太赫兹双频带吸收器设计

5.3 可见光-太赫兹双频带吸收器的制备

5.3.1 生长Au层的可见光-太赫兹双频带吸收器的制备

5.3.2 全介质可见光-太赫兹双频带吸收器的制备

5.4 可见光-太赫兹双频带吸收器的性能测试

5.4.1 生长Au层的可见光-太赫兹双频带吸收器的性能测试

5.4.2 全介质可见光-太赫兹双频带吸收器的性能测试

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果