硅基全光控太赫兹波幅度调制器的研究

摘要

在太赫兹（THz）技术成为国际研究热点的同时，太赫兹高速通信器件及系统的研究热潮在国内外科研机构及高校蔓延开来。太赫兹吸收、滤波、开关、调制等功能器件在太赫兹应用系统中的地位相当于眼睛、耳朵在人体的地位，是不可或缺的部件。在太赫兹波调控技术方面，有电、光、热等多种方式的调控手段，但都存在一定的弊端。例如，半导体异质结的二维电子气对THz波的调制深度较小，热致相变特性的二氧化钒材料对温度的依赖特性使得器件的调制速率较慢。光控半导体硅（Si）调制器虽然具有较大的调制幅度和宽带特性，并且与现有半导体工艺相兼容，是实现太赫兹调控器件重要方式之一。然而，受制于本征Si对光的弛豫过程，使得光掺杂的Si对THz波的调制速率最高只能达到kHz量级。
　　本文提出一种基于掺金硅的全光学太赫兹波调制器，通过深能级掺杂改善光作用本征Si（或高阻Si）的弛豫现象，实现对THz波的高速调控。在研究不同掺杂温度和时间对Si材料的太赫兹波调制特性的影响后，得到最佳处理工艺为900℃下热扩散60 min。少数载流子寿命测试的结果表明，掺杂的金（Au）原子为Si中的非平衡电子—空穴对提供有效复合中心，使其少数载流子寿命降低了2个数量级。为了进一步提高器件对THz波束的幅度利用率，采用金的微米圆点阵列进行高温扩散掺杂，在不损失THz波透射幅度的同时提高了调制器的调制速率。该器件在0.34 THz载波的动态调制测试中达到了4.3 MHz的调制速率，其最大调制深度约21％。此外，该器件没有频率选择特性，可工作在整个太赫兹频段内，且具有极化不敏感等特性。其次，将掺金Si与超材料相结合，实现具有频率选择特性的调制器件，在设计的工作频点或带宽内，通过光控实现对THz波束的调制。最后，将掺金Si器件与实验室现有的激光集成，构建光控太赫兹高速调制器，并同过100 kHz的调制速率成功将温度信息在0.34 THz的信道内调制、传输、解调与显示。该工作验证了全光控调制器的可靠性，并展示了一种THz无线通信系统的雏形。
　　本论文提出的基于光控掺金硅的太赫兹调制技术，成本低、易实现，与半导体工艺相兼容。既适用于动态光与THz波耦合的场合，也是构建其他高速Si基太赫兹功能器件的重要基础，在太赫兹通信、探测和成像等方面均具有巨大的应用潜力和价值。

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第一章 绪 论

1.1 太赫兹波简介

1.2 太赫兹波通信技术简介

1.3 太赫兹调控技术简介

1.4 论文研究内容

第二章 太赫兹测试系统的构建

2.1 太赫兹时域光谱技术简述

2.2 光纤透射式太赫兹时域光谱系统的搭建

2.3 太赫兹波空间传输测试平台的搭建

2.4 本章小结

第三章 基于掺金硅的太赫兹波调制技术的研究

3.1 基于半导体的光控太赫兹调制技术的研究

3.2 基于掺金Si的太赫兹调制技术研究

3.3 基于局部掺金Si的太赫兹调制技术研究

3.4 本章小结

第四章 掺金硅与超材料复合器件的太赫兹调制特性研究

4.1 超材料结构单元的设计与仿真

4.2 超材料与掺金Si复合器件的制备

4.3 超材料与掺金Si复合器件的太赫兹性能研究

4.4 本章小结

第五章 全光控太赫兹调制器的集成及其应用研究

5.1 全光控太赫兹调制器的集成

5.2 全光控太赫兹调制器的应用

5.3 本章小结

第六章 全文结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果