本发明公开了一种太赫兹波高速调制器及其制作方法,包括衬底层,在该衬底层上生长有缓冲层,在该缓冲层生长有应变量子阱结构,在该应变量子阱结构的上表面制备的由金属谐振单元周期阵列组成的金属超材料结构;所述缓冲层与衬底层材料相同,所述势阱层的能带隙小于势垒层,且所述势垒层与衬底层的晶格常数的相同或相差0.5%以内。本发明应变量子阱结构内具有由应变产生的极强的压电场,能够显著延长光生载流子的复合寿命和浓度,从而极大降低对调制激光器功率的要求;通过改变InGaAs/GaAs应变量子阱中In组分和量子阱宽度,可灵活地调节内部压电场的大小和电荷空间分离的程度,进而方便地调节本发明调制速率。
1.一种太赫兹波高速调制器,其特征在于:包括衬底层(1),在该衬底层(1)上生长有一缓冲层(2),在该缓冲层(2)上生长有应变量子阱结构,在该应变量子阱结构的上表面制备的由金属谐振单元周期阵列组成的金属超材料结构(3);所述应变量子阱结构包括两个以上的势垒层(4)和至少一个势阱层(5),所述势阱层(5)处于两势垒层(4)中间,且所述应变量子阱结构最上层和最下层都是势垒层;所述衬底层(1)是<111>面取向,所述缓冲层(2)与衬底层(1)材料相同,所述势阱层(5)的能带隙小于势垒层(4),且所述势垒层(4)与衬底层(1)的晶格常数相同或者相差不超过0.5%;所述衬底层(1)、缓冲层(2)和势垒层(4)材料是砷化镓,所述势阱层(5)材料是铟镓砷;所述应变量子阱结构中势垒层(4)和势阱层(5)都是<111>面取向,所述势垒层(4)厚度为10~300nm,所述势阱层(5)厚度为1~30nm。
2.根据权利要求1所述太赫兹波高速调制器,其特征在于:所述缓冲层(2)厚度为20~300nm。
3.根据权利要求1所述太赫兹波高速调制器,其特征在于:所述金属超材料结构(3)中金属谐振单元的厚度为0.2~5微米,周期为20~80微米。
4.一种权利要求1所述太赫兹波高速调制器的制作方法,其特征在于包括以下步骤:a、通过金属有机物化学气相外延技术(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)在衬底层(1)上生长一层缓冲层(2);b、然后继续在该缓冲层(2)上依次生长<111>面取向的势垒层(4)、势阱层(5)和势垒层(4),从而构成<111>面取向的应变单量子阱层,其中势阱层(5)选用的材料的能带隙小于势垒层(4),且所述势垒层(4)与衬底层(1)的晶格常数相同或相差不超过0.5%;c、通过蒸镀和刻蚀的方法在所述应变单量子阱层上表面制备一层周期排列的金属谐振单元组成的金属超材料结构(3)。技术领域
本发明属于太赫兹波通信领域,尤其涉及一种太赫兹波调制器及其制作方法。
背景技术
无线通信的有限频谱资源和迅速增长的高速业务需求的矛盾迫使人们去开发新的频谱波段。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波(1THz=10¹²Hz),波长为0.03mm到3mm,具有很大的带宽,因此发展THz无线通信技术具有重要的实际应用价值。其中太赫兹波调制器是太赫兹通信系统中必不可少的器件之一,而目前太赫兹调制器的性能主要受限于材料的选择和制备。新型半导体基底材料和电磁超材料(meta-material)的有机结合有望实现太赫兹某些关键技术,尤其是太赫兹调制技术的突破。近年来所报道的THz波调制器有利用半导体块状材料对THz波进行调制的方法。中国计量学院的李九生等基于超高电阻率的硅(Si)晶片,利用808nm激光照射产生光生载流子对THz波进行调制。由于超高电阻率Si片中载流子的复合寿命较长,所以其调制速率仅为0.2kxa0bps。砷化镓GaAs中载流子的寿命较短,有可能成为制备高速太赫兹调制器的基底材料。捷克的L.Fekete等人采取在交替层叠的SiO₂和MgO周期结构中嵌入一层GaAs缺陷层的办法以构成一维光子晶体,利用GaAs在810nm激光照射下产生的光生载流子的浓度变化来调制光子晶体的透过特性,从而实现高速调制THz波的目的。但由于GaAs中载流子的寿命较短,响应时间可以达到130ps量级,所以虽然理论上对THz波的调制速率可以达到GHz量级,但为了获得较高的光生载流子浓度和较大的调制深度,810nm调制激光的光通量需达到0.8μJ/cm²的极高量级,其对应的连续波输出激光功率则需要达到10⁵W以上,这使其在实际应用中受到极大限制。
发明内容
发明目的:针对上述现有存在的问题和不足,本发明提供了一种太赫兹波调制器,从而克服现有砷化镓基底中载流子的复合寿命过短以致需要超强功率的调制激光器的缺陷,实现了在低功率调制激光的激发条件下也能对太赫兹波进行高速调制。技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:一种太赫兹波高速调制器,包括衬底层,在该衬底层上生长有一缓冲层,在该缓冲层上生长有应变量子阱结构,在该应变量子阱结构的上表面制备的由金属谐振单元周期阵列组成的金属超材料结构;所述应变量子阱结构包括两个以上的势垒层和至少一个势阱层,所述势阱层处于两势垒层中间,且所述应变量子阱结构最上层和最下层都是势垒层;所述衬底层是<111>面取向,所述缓冲层与衬底层材料相同,所述势阱层的能带隙小于势垒层,且所述势垒层与衬底层的晶格常数相同或者相差不超过0.5%;所述衬底层、缓冲层和势垒层材料是砷化镓,所述势阱层材料是铟镓砷;所述应变量子阱结构中势垒层和势阱层都是<111>面取向,所述势垒层厚度为10~300nm,所述势阱层厚度为1~30nm。作为优选,所述缓冲层厚度为20~300nm。作为优选,所述金属超材料结构中金属谐振单元的厚度为0.2~5微米,周期为20~80微米。本发明另一目的是提供了一种上述太赫兹波高速调制器的制作方法,其特征在于包括以下步骤:a、通过金属有机物化学气相外延技术(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)在衬底层上生长一层缓冲层;b、然后继续在该缓冲层上依次生长<111>面取向的势垒层、势阱层和势垒层,从而构成<111>面取向的应变单量子阱层,其中势阱层选用的材料的能带隙小于势垒层,且所述势垒层与衬底层的晶格常数相同或相差不超过0.5%;c、通过蒸镀和刻蚀的方法在所述应变单量子阱层上表面制备一层周期排列的金属谐振单元组成的金属超材料结构。有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:通过在<111>取向的衬底上生长<111>取向的应变量子阱结构,在量子阱内部获得极强的压电场;该压电场能够有效地分离光生载流子中的电子和空穴,显著地延长光生载流子的复合寿命和增加载流子浓度,从而能极大地降低对外部调制激光器功率的要求;与此同时,通过改变<111>取向的InGaAs/GaAs应变量子阱中In的组分和量子阱宽度,可以灵活地调节内部压电场的大小和电荷空间分离的程度,进而可以根据需要,方便地调节太赫兹波调制器的调制速率,调制速率可达到10Mbps以上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;图2为本发明所述应变量子阱结构在内建压电场的作用下的能带结构变化图;图3为本发明所述实施例中应变量子阱结构内压电场的强度与势阱层中铟(In)组分含量的关系曲线;图4为太赫兹波在本发明所述调制器调制下的透过率随外部激发光强的变化曲线。其中,衬底层1、缓冲层2、金属超材料结构3、势垒层4、势阱层5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图1所示,一种太赫兹波高速调制器包括<111>取向的半绝缘砷化镓(GaAs)衬底层1,首先在衬底上通过MOCVD金属有机物化学气相外延技术生长一层GaAs缓冲层2,该砷化镓缓冲层2厚度控制在20到300纳米,从而可以将后续应变量子阱结构中的铟镓砷势阱层5与砷化镓衬底层1之间在晶格常数存在的较大差异克服,最终获得高质量的<111>面取向的应变量子阱结构结构。然后在该缓冲层2上依次生长<111>面取向的砷化镓势垒层4、铟镓砷势阱层5和砷化镓的势垒层4,从而构成<111>面取向的InGaAs/GaAs应变量子阱结构,其中所述砷化镓势垒层4的厚度为10到300纳米,所述铟镓砷势阱层5的厚度为1到30纳米;最后在最上层的GaAs表面通过光刻、蒸镀和刻蚀等工艺技术制备一层由金属谐振单元周期阵列组成的金属超材料结构3,该金属超材料厚度为0.2~5微米,周期为20~80微米,谐振单元的几何形状可为任意电磁共振器单元的形状。上述的<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱内由于晶格失配产生的强压电场能有效地分离光生载流子中的电子和空穴,从而能显著地增加光生载流子的浓度和复合寿命,极大地降低所需外部调制激光器的功率;上述<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱的势垒层可由与砷化镓衬底层晶格匹配或者相差在0.5%以内的铝镓砷(AlGaAs)材料,而势阱则可由镓砷磷(GaAsP)或者其它能带隙(bandxa0gap)低于势垒材料而且与衬底材料晶格失配的化合物半导体材料所代替。受调制的太赫兹波依次通过金属超材料结构3、应变量子阱结构、缓冲层2,最后从GaAs(111)衬底层1的下表面射出,由太赫兹时域光谱仪(TDS)接收并检测。同时,另有一束波长为810纳米的调制激光照射到<111>取向的InGaAs/GaAs应变量子阱结构上,激发光生载流子,其浓度和复合寿命可由应变量子阱结构参数进行调控。光生载流子浓度随调制光强的改变而变化且与载流子的复合寿命成正比,所以改变调制激光强度可以影响超材料结构的谐振频率和谐振强度。通过TDS检测到的太赫兹波的透射光谱反映的就是经过调制的、强度变化速率与调制光相同的太赫兹波。<111>取向的应变量子阱结构的引入是本发明的核心创新点,也是实现以普通功率的激光器对太赫兹波进行高速调制的关键技术。由于组成<111>取向的应变量子阱的两种半导体材料的晶格常数不同,会在量子阱内由压电效应产生一个垂直于量子阱方向的压电场。如图2所示,产生的强压电场(~10⁵V/cm)使得量子阱的能带结构发生倾斜,从而导致光生载流子中的电子和空穴在空间上的有效分离,因此可以显著增加光生载流子的浓度和复合寿命。据估算,光生载流子寿命可由普通GaAs块状材料中的几十皮秒,延长到本发明<111>取向的InGaAs/GaAs量子阱结构中的几十纳秒。该数量级的载流子复合寿命既能够满足10Mbps甚至更高调制速率的要求,同时又可以大大降低所需调制激光器的功率,甚至用普通100mW的商用半导体激光器即可实现。图3是计算得到的<111>取向的铟砷镓/砷化镓(In_xGa_1-xAs/GaAs)量子阱中的压电场强度随In组分x的变化曲线。可以清晰地看出,通过改变应变量子阱中的In组分,能够调节量子阱内压电场的强度,从而控制光生载流子的复合寿命。图4是太赫兹波通过本发明的调制器的透过率随外部激发光强的变化曲线。图中可见频率为0.66THz处的最大调制深度可达59%,调制速率为10Mbps。