一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器制造技术

本发明专利技术提出了一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、L1型光子微腔和太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板上晶格周期排列形成三角晶格结构，二维光子晶体平板上设置L1型光子微腔，L1型光子微腔上微纳加工制备太赫兹探测器。本发明专利技术光子晶体微腔耦合结构相比于天线耦合结构，损耗更小，效率更高，谐振的品质因素更高，消除了太赫兹探测器衬底效应的干扰，提高了探测器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器
本专利技术涉及太赫兹探测技术，具体涉及一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器。
技术介绍
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了其在生物成像和高速无线通信具有相比其他波段的优越性。目前太赫兹技术的进步亟需高功率的源和高灵敏度的探测器。对于提高探测器的灵敏度，除了直接提升探测器本征性能外，还可以从太赫兹探测器与信号的耦合强度入手。传统的解决方案采用集成平面天线耦合结构，通过天线接受固定频率信号，传输到天线馈电点，再耦合到馈电位置的探测器中。但是天线耦合结构存在诸多限制，比如衬底干涉效应会恶化天线性能，天线集成往往需要考虑与探测器的阻抗匹配问题，更重要的是天线耦合结构的探测器受衬底FP腔的限制，谐振选频效果不理想，谐振频率操控很困难。为了实现探测器与信号的高效耦合并提升器件的选频性能，需要寻求新的结构和方法代替天线耦合。光子晶体是一种介电常数随空间位置周期变化的新型材料，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。光子晶体的应用主要依赖于加入缺陷来干扰周期性，从而引入局域光子模来捕捉和增强信号。基于光子晶体具有小型化、传输损耗小以及耦合效率高等优点，因此，可以将光子晶体的谐振调控特性用于太赫兹探测器，提高太赫兹探测器对入射信号的耦合，同时实现多频段谐振探测。硅是介质中色散最小的材料，当频率低于3THz时，同一频段的硅折射率变化小于0.0001，同时高纯度硅的吸收常数小于0.1cm-1。由于硅对太赫兹波的色散小和吸收损耗小，同时价格低廉，制备方便，因此硅无疑是在太赫兹波段制作光子晶体的首选材料。因此设计并制备集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器有望解决太赫兹探测中的高效耦合和多波段谐振选频的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种集成光子晶体微腔的太赫兹探测器，以解决上述太赫兹波段高耦合效率、多波段谐振选频的难题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板、L1型光子微腔和太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板上晶格周期排列形成三角晶格结构，二维光子晶体平板上设置L1型光子微腔，L1型光子微腔上微纳加工制备太赫兹探测器。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，各圆形空气通孔的半径相同。进一步的，所述L1型光子微腔在光子晶体平板上移除一个晶格形成微腔，且微腔的周围至少有六层晶格包裹。进一步的，所述L1型光子微腔调整微腔两端晶格的偏移量，实现双频段太赫兹波的探测，其中偏移量为0.1-0.3a，a是三角晶格常数。进一步的，所述L1型光子微腔位于二维光子晶体平板中心。进一步的，所述太赫兹探测器包括微测热辐射计、场效应管、热释电二极管和肖特基二极管。进一步的，所述太赫兹探测器设置在L1型光子微腔中心。进一步的，所述二维光子晶体平板的三角晶格常数与谐振频率有关，具体方法为：首先根据禁带的中心频率ωc，结合计算与目标频段波长λ对应的三角晶格常数a，然后通过CST仿真调整，其中a是通常意义的晶格常数，由此得到等边三角周期排列的晶体结构。一种太赫兹探测方法，基于任一项所述的集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器对TE模式的太赫兹信号进行探测。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)光子晶体耦合结构相比于天线耦合结构，损耗更小，效率更高，谐振的品质因素更高(Q值更高)，消除了太赫兹探测器衬底效应的干扰，提高了探测器的灵敏度。2)通过光子晶体的晶格常数设计更容易实现对谐振频率的操控。同时这种光子晶体平面结构可以由成熟的硅工艺实现，可以和各种太赫兹探测器进行集成，比如微测热辐射计、场效应管和肖特基二极管等，适用于多场景下的太赫兹波探测。附图说明图1是本专利技术实例二维光子晶体的平面结构示意图；图2是本专利技术实例的集成硅光子晶体探测方式示意图；图3是本专利技术实例中L1型微腔谐振时的稳态电场分布图。图4是本专利技术实例L1型微腔的结构参数示意图；图5是本专利技术实例二维光子晶体的三角晶格TE模式能带图；图6是本专利技术实例光子晶体晶格常数a和谐振频率的关系；图7是本专利技术实例中微腔两侧空气通孔偏移距离与谐振频率的关系图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，包括二维光子晶体平板1、L1型光子微腔3和太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板1上晶格周期排列形成三角晶格结构，二维光子晶体平板1上设置L1型光子微腔3，L1型光子微腔3上微纳加工制备太赫兹探测器。作为一种优选实施方式，所述二维光子晶体平板1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。作为一种优选实施方式，所述L1型光子微腔3在光子晶体平板上移除一个晶格形成微腔，且微腔的周围至少有六层晶格包裹。进一步优选的，所述L1型光子微腔3调整微腔两端晶格的偏移量，实现双频段太赫兹波的探测，其中偏移量为0.1-0.3a，a是三角晶格常数。所述L1型光子微腔3位于二维光子晶体平板1中心。作为一种优选实施方式，所述太赫兹探测器为微测热辐射计、场效应管、热释电二极管或者肖特基二极管。进一步优选的，所述太赫兹探测器设置在L1型光子微腔3中心。作为一种优选实施方式，所述二维光子晶体平板1的三角晶格常数与谐振频率有关，具体方法为：首先根据禁带的中心频率ωc，结合计算与目标频段波长λ对应的三角晶格常数a，然后通过CST仿真调整，其中a是通常意义的晶格常数，由此得到等边三角周期排列的晶体结构，λ是目标频段波长。本专利技术还提出一种太赫兹探测方法，基于任一项所述的集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器对TE模式的太赫兹信号进行探测。本专利技术实现太赫兹信号探测的技术原理：根据光子晶体的带隙理论，当入射的太赫兹波符合频率谐振条件就会被缺陷约束，并且在微腔中发生谐振增强，提高探测器对太赫兹信号的电压响应，从而提高太赫兹探测器的灵敏度。这种探测器不同于以往的集成系统，是利用光子晶体的滤波和局部增强作用。其中，探测的信号为TE太赫兹波。而且由于二维光子晶体结构参数可调，谐振峰的位置也会随之改变，从而实现任意频率的太赫兹信号探测。实施例为了验证本专利技术方案的有效性，进行如下仿真实验。如图1所示，本实施例提供一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，包括：二维光子晶体平板1，通过在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，各周期排列形成三角晶格结构，且圆形空气通孔的半径相同。位于光子晶体平板上的L1型光子微腔3，所述L1型光子微腔3在光子晶体平板上移除一个空气通孔形成微腔，且微腔的周围至少有六层晶格包裹。微腔两侧的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，其特征在于，包括二维光子晶体平板(1)、L1型光子微腔(3)和太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板(1)上晶格周期排列形成三角晶格结构，二维光子晶体平板(1)上设置L1型光子微腔(3)，L1型光子微腔(3)上微纳加工制备太赫兹探测器。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，其特征在于，包括二维光子晶体平板(1)、L1型光子微腔(3)和太赫兹探测器，其中：二维光子晶体平板(1)上晶格周期排列形成三角晶格结构，二维光子晶体平板(1)上设置L1型光子微腔(3)，L1型光子微腔(3)上微纳加工制备太赫兹探测器。


2.根据权利要求1所述的集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，其特征在于，所述二维光子晶体平板(1)通过在高阻硅片上打圆形空气通孔形成，各圆形空气通孔的半径相同。


3.根据权利要求1所述的集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，其特征在于，所述L1型光子微腔(3)在光子晶体平板上移除一个晶格形成微腔，且微腔的周围至少有六层晶格包裹。


4.根据权利要求3所述的集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器，其特征在于，所述L1型光子微腔(3)调整微腔两端晶格的偏移量，实现双频段太赫兹波的探测，其中偏移量为0.1-0.3a，a是三角晶格常数。


5.根据权利要求1或3...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂学凑，张祎琛，周淑宇，蒋成涛，贾小氢，赵清源，张蜡宝，康琳，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32