摘 要：基于多频带金属开口谐振环结构， 利用GaAs材料的光敏特性和VO2薄膜的热致相变特性， 设计了一种既能实现光控又能实现温控的太赫兹(Terahertz, THz)波调制器， 研究了光强和薄膜温度对 THz波调制特性的影响。 结果表明， 随着光强的增加， 谐振频率均出现蓝移且谐振强度减小， 当光强达到0.2 μJ·cm-2时， 第二个谐振点(0.52 THz)蓝移了0.14 THz， 透射幅度增加达50%； 随着VO2温度增加至相变温度以上， THz波透射幅度急剧减小， 在0.63 THz处透射幅度减小达45.5%； 当光强和温度同时控制时， 随着光强和温度的增加， 谐振点频率蓝移且谐振点处的THz波透射幅度增加， 但在温度超过相变温度后， 则温度控制起主导作用。 设计的THz波调制器能通过光控和温控实现对THz波的明显调制效果， 可为实现多功能的THz波功能器件的设计及应用提供参考。
关键词：太赫兹； 多频带； 多种方式控制； 光控； 温控
引 言
太赫兹(THz)波通常是指波段位于微波和红外之间， 频率在0.1～10 THz之间的一段尚未完全开发利用的电磁波段。 THz波的高穿透性、 光子低能性、 频带宽等独特优势使THz技术在光谱、 生物、 成像和通信等领域显示出巨大的应用潜力[1]。 相比传统的无线电通信技术， THz波具有频谱丰富、 带宽大、 传输速率高等优势， 在未来无线通信领域具有广阔的前景。 然而作为THz通信系统中关键器件， THz波调制器的实用化限制了THz技术的发展。 许多科研人员已针对THz波调制器开展了大量的研究， 最早的THz波调制器是由Libon等通过光在多量子阱结构中激发自由电子研制而成[2]， 随后科研人员又研制出了利用光控、 温控、 电控等控制方式的THz波调制器[3-4]。 其中， 光控方式具有调制速率高、 调制深度大的特点； 温控虽然调制速率慢， 但具有条件相对容易实现的特点， 因此， 基于光控和温控的THz波调制器的研究已成为目前的热点， 并且已经取得一定的研究成果。 例如Sui等[5]设计的光控THz波调制器在1.96 THz处对THz波的调制深度达到了96.4%， 调制速率达到了1 360皮秒； 刘志强等[6]设计的基于VO2温控THz波调制器在1.3和1.7 THz处调制深度也达到了60%以上。 传统的THz波调制器存在功能及控制方式单一的不足， 而多功能和多种方式控制的THz波调制器不仅能减少成本、 提高集成度， 还可以拥有更灵活的调制方式。 目前， 多功能THz波调制器已有报道， 如杨磊等[7]设计的多功能THz波调制器不仅能够对THz波的偏振态进行调制， 还能对THz波透、 反射强度进行调制。 然而采用多种方式控制的THz波调制器却鲜有报道。
基于多频带金属开口谐振环结构， 利用半导体GaAs的光敏特性和VO2的热致相变特性， 我们将半导体GaAs和相变材料VO2结合起来， 设计了一种既能实现光控又能实现温控的THz波调制器， 分析了泵浦光强和薄膜温度对调制器调制特性的影响， 并利用该调制器对THz波实现了动态调制， 取得了良好的调制效果。
1 理论模型
1.1 光控模型
与Ge， Si等半导体材料相比， GaAs拥有电子迁移率高、 禁带宽度大等优势， 从而使基于GaAs材料的器件不仅具有高光电转换效率、 低噪声， 还能工作在高频高压高温下。 对于半导体材料， 当入射光子能量E大于禁带宽度Eg时， 将会激发出电子-空穴对， 使半导体材料内非平衡载流子增多， 进而导致介电常数和电导率等特征参数发生改变， 从而改变半导体材料的性能。 当泵浦光(E≥Eg)作用于半导体GaAs时， 其内部光生载流子浓度随泵浦光强而发生变化。 所产生的光生载流子浓度ΔN满足连续性方程
(1)
式(1)中， Da为扩散系数； Br为复合效率； n0和p0为本征载流子浓度。
假设垂直入射到半导体表面的激光脉冲为高斯脉冲， 其光强分布为
(2)
式中， I0为泵浦光强； σ=TP/[2(ln2)1/2]为高斯分布均方差， TP为激光脉宽。
于是， 光生载流子的产生率可表示为
(3)
式中， R为GaAs表面反射系数； β为量子效率； S为入射光斑面积； α=4πk/λ为吸收系数， k为消光系数。
方程(1)的边界条件为
(4)
(5)
式中， s为半导体表面复合速率。
假设到达GaAs下表面的光强为零(GaAs穿透深度约为1 μm[11])， 则初始条件为
(6)
在THz波段， 半导体GaAs的介电函数可以用Drude模型来描述
(7)
式中， ε∞为高频介电常数； γ为碰撞频率； ωp为等离子频率， 可表示为
(8)
式中， N为载流子浓度； m*为有效质量， 对于GaAs[8]， m*=0.067me。 由于GaAs本征载流子浓度ni(≈1012 m-3)远小于光生载流子浓度ΔN(～1022 m-3)， 所以N=ΔN+ni≈ΔN。
1.2 温控模型
相变材料的发现为调制THz波提供了一个全新的途径。 其中VO2是一种具有热致绝缘-金属相变特性的金属氧化物， 相变温度约为68 ℃， 相变过程中电导率的变化可达2～5个数量级。 而且相变过程可逆， 因而VO2可作为THz波调制器件的功能材料。 根据VO2热致相变理论， 可以将VO2看作是由绝缘相和金属相颗粒组成的复合体系， 此复合体系的介电常数可表示为[9]
(9)
式中， εD和εM分别等价为VO2薄膜中绝缘成分与金属成分
的介电常数； f为VO2薄膜中金属成分体积分数。 复合体系中的绝缘成分可当做介电常数εD=9的电介质， 且f与温度T之间的关系可用Boltzmann函数描述
(10)
式中， fmax为最高温度时VO2薄膜中金属组分体积分数最大值， T0为相变临界温度， ΔT为过渡温度。
复合体系材料的电导率可由其介电常数进一步确定[10]
(11)
在THz波段， VO2薄膜中的金属成分同样也可用Drude模型来描述其介电函数， 而且对于VO2薄膜， ε∞=εD， m*=2me， γVO2=1/τ， τ为载流子碰撞时间。
1.3 调制器结构设计
本文设计的多种方式控制的 THz波调制器结构单元如图1所示， 由四层结构组成， 分别是由上层的多频带金属开口谐振环、 第二层的半导体GaAs、 第三层的蓝宝石和底层的VO2薄膜组成。 其中谐振环和VO2薄膜厚度均为t=0.1 μm， 谐振环材料为金(Au)， 中间的GaAs和蓝宝石厚度均为h=5 μm。 开口谐振环的结构及尺寸参数如图1(a)所示， 图中标示的结构尺寸分别为a=100 μm， b=34 μm， c=14 μm， d=1 μm， l=80 μm， w=3 μm， g=1 μm。
图1 多种方式控制THz波调制器的结构和尺寸
Fig.1 The structure and dimension of multi-control THz wave modulator
2 仿真模拟及讨论
2.1 泵浦光强对THz波透射谱的影响
基于上述光控理论模型和设计的调制器结构， 在分析泵浦光强对THz波透射谱的影响之前， 首先分析光强对超材料衬底中光生载流子浓度的影响。 采用波长800 nm， 脉宽100 fs的激光模拟计算可得到半导体GaAs内部光生载流子浓度随时间和空间的分布。
由图2可以看出， 当激光照射到GaAs表面时， 光生载流子浓度迅速增加， 且大部分集中在表面区域。 由于GaAs光生载流子的寿命在纳秒量级[14]， 所以光生载流子浓度达到最大值后缓慢下降。 当激光脉宽小于载流子寿命时， GaAs将会达到稳定的载流子浓度。 载流子浓度增加电导率也随之增加。 由此可见， 随着光强的改变， 谐振环的谐振特性和THz波的透射谱也将改变。 基于有限元分析法， 利用CST microwave studio仿真计算了不同光强下的THz波透射谱， 如图3所示。
表1 GaAs瞬态光注入模型下计算参数[11-13]
Table 1 The calculation parameters of transient optical injection model of GaAs
图2 GaAs内光生载流子浓度随时间和空间的分布(I0=1.50 μJ·cm-2)
Fig.2 The distribution of photoexcited carrier density with time and space in GaAs (I0=1.50 μJ·cm-2)
图3 不同泵浦光强下的太赫兹波透射谱
Fig.3 The terahertz wave transmission spectra under different pump laser fluences
假设THz波垂直入射到调制器表面， 电场方向垂直于谐振环开口方向， 磁场方向平行于谐振环开口方向。
由图3可以看出， 随着光强的增加， 谐振环谐振强度减小， 谐振点的透射幅度增加， 且谐振点频率蓝移。 当光强I0达到0.2 μJ·cm-2时， 第二个谐振点频率0.52 THz处的透射幅度由13%增加到63%， 增幅达50%， 这是因为随着光强增加， GaAs内部光生载流子浓度增加， GaAs逐渐呈现金属性， 导致谐振环的谐振特性减弱， 谐振强度减小， 透射率增加。 此外谐振点频率向右移动0.14 THz， 这是因为随着光强加大， 开口处的电导率增加， 电容C减小， 而谐振频率ω0∝1/(LC)1/2， 所以谐振点频率蓝移。 光强持续增加至1.5 μJ·cm-2时， GaAs呈现高度金属性， 谐振环的谐振特性趋于消失， 载流子对THz波产生强烈吸收， 使THz波的透射幅度明显降低。
2.2 VO2薄膜温度对THz透射谱的影响
基于上述温控理论模型， 首先分析温度对VO2薄膜电导率的影响。 结合式(7)—式(11)， 求解出VO2薄膜电导率和温度关系(升温过程中T0=68 ℃， 降温过程中T0=63 ℃)。
表2 相变过程中VO2参数[15-16]
Table 2 The VO2 parameters in the process of phase transition
图4 VO2薄膜电导率与温度的关系
Fig.4 The relationship between conductivity and temperature of VO2 thin films
从图4可以看出， 当VO2薄膜升温时， 在68 ℃附近电导率急剧变化， 降温过程中存在类似磁滞效应的滞后。 由于VO2薄膜的电导率在相变前后发生剧烈变化， THz波透射谱也将随着温度的改变而明显变化。 利用CST仿真模拟不同温度下的THz波透射谱， 如图5所示。
图5 不同二氧化钒薄膜温度下的太赫兹波透射谱
Fig.5 The terahertz wave transmission spectra under different temperatures of VO2 thin films
由图5可以看出， 在VO2薄膜相变以前， 随着温度的增加， 调制器透射谱线峰值处THz波透射幅度缓慢减小， 当温度超过VO2的相变温度时， 随着温度增加， 透射谱线峰值处的THz波透射幅度急剧减小， 当温度达到80 ℃时， 在第二个透射谱线峰值0.63 THz处， THz波透射幅度从87.3%减小到了41.8%， 减幅达45.5%。 这是由于温度较低时VO2薄膜复合体系金属相成分占比很低， 对THz透射影响较小， 当温度超过相变温度时， VO2薄膜复合体系中金属相成分急剧增加到90%以上， 此时VO2薄膜中金属成分对THz波强烈吸收， 使得THz波透射幅度大幅锦小。
(a)相变前(T=67 ℃)不同光强下的透射谱
(a)The transmission spectra under different pump laser fluences before phase transformation (T=67 ℃)
(b)相变后(T=80 ℃)不同光强下的透射谱
(b)The transmission spectra under different pump laser fluences after phase transformation (T=80 ℃)
(c)光强和温度同时改变时的透射谱
(c)The transmission spectra with pump laser fluence and temperature changing simultaneously
图6 不同条件下的THz波透射谱
Fig.6 The terahertz wave transmission spectra under different conditions
2.3 温度和光强共同作用对THz波透射谱的影响
为了说明光强和温度共同作用对透射谱的影响， 图6给出了光强和温度同时变化时， 调制器对THz波的调制效果。
当温度处于相变前某一温度(如T=67 ℃)时， VO2薄膜中金属相占比只有35%， 对THz波透射谱的影响不大， 这时与光控调制效果(图4)很相似， 只是调制效果略微减小。 如当光强达到0.2 μJ·cm-2时， 谐振频率0.52 THz处透射幅度增加了43.6%。 当温度处于相变后某一温度(如T=80 ℃)时， THz波透射幅度整体处于48.5%以下， 如图6(b)所示， 此时当光强达到0.2 μJ·cm-2时， 谐振频率0.52 THz处透射幅度只增加了13.9%， 随着光强的进一步增加， THz波透射幅度也持续减小， 这是由于温度超过相变温度后， VO2薄膜中金属相成分占比很高， THz波被大量吸收， 光强对调制器的影响减弱。 当温度低于68 ℃、 光强小于0.2 μJ·cm-2时， 随着温度和光强增加， 谐振强度减小， 谐振频率蓝移； 当温度大于68 ℃、 光强大于0.8 μJ·cm-2， 温度和光强再增加时， 透射幅度急剧减小， 如图6(c)， 这是由于此时GaAs呈金属性， VO2相变成金属态， 使THz波被GaAs和VO2中的大量载流子吸收， 这时相当于调制器处于关闭状态。 对比单独用光控和温控可知， 当使用光强和温度同时进行控制时， 如果温度超过相变温度后， 则温度控制起主导作用。
3 结 论
基于半导体GaAs的光敏特性和VO2的绝缘-金属相变特性， 提出了一种以多频带金属开口谐振环为谐振单元， 既能够实现光控又能够实现温控的多种方式控制的THz波调制器， 分析了光强和温度对THz波调制器调制特性的影响， 结果表明， 当只用光控时， 随着光强的增加， 谐振点处的THz波透射幅度均逐渐增加， 谐振点频率蓝移， 随着光强持续增加， 谐振特性将逐渐消失； 当只用温控时， 随着温度的增加， 透射谱线峰值处透射幅度逐渐减小， 相变后透射幅度急剧减小。 当光强和温度同时控制时， 随着光强和温度的增加， 谐振点频率蓝移且谐振点处的THz波透射幅度增加， 随着光强和温度持续增加， THz波透射幅度急剧减小。 该结果可为实现多种方式控制的 THz波调制器的设计提供有用参考。
