长春理工大学光电工程学院光电工程国家级实验教学示范中心, 吉林长春 130022
光电导天线 (PCA)作为常用的太赫兹发射器件, 如何提高其辐射效率, 成为国内外研究人员研究的重点。通过时域有限差分法对 PCA辐射效率进行研究, 在光敏层表面加入柱状结构, 使更多的光被捕获到光敏层, 模拟结果表明该结构具有显著增强辐射效率的作用。通过对比材料、柱状形状对增强效果的影响, 结果表明, 在同一种柱状结构下, 银材料的 PCA、金材料的 PCA、砷化镓材料的 PCA的增强效果依次降低; 同一材料下, 带有正六棱柱结构、圆柱形结构、正四棱柱结构的光 PCA的增强效果依次降低。通过材料与结构的最佳组合, 最高的增强效率为传统 PCA的 1 100%, 最低的增强效率为传统 PCA的 150%。
太赫兹 光电导天线 时域有限差分法 微纳结构 低温砷化镓 (LT-GaAs) terahertz photoconductive antenna Finite Difference Time Domain micro-nano structure Low Temperature GaAs(LT-GaAs) 太赫兹科学与电子信息学报
2021, 19(4): 652
太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室, 北京成像理论与技术高精尖创新中心, 首都师范大学物理系, 北京 100048
太赫兹（THz）波在物质检测方面发挥着巨大的作用, 是一种非常有潜力的生化传感工具。 但是传统的太赫兹时域光谱系统（TDS）结构复杂, 系统的集成度低, 占用空间较大。 所以, 如何对THz波进行有效引导、 实现集成化传输并得到高质量光谱就成为太赫兹光谱系统的研究热点。 太赫兹片上系统是将THz的产生、 传输以及探测都集成到同一芯片上, 然后通过相干探测的方法获得THz时域光谱。 它可以实现对多种样品的检测, 尤其在对难于取样的微量样品探测方面具有广泛的应用价值。 它无需光路准直, 操作简便, 成品率高。 两个研究工作都是基于低温砷化镓(LT-GaAs)外延片开展的。 首先将一根直径为200 μm的铜线固定在LT-GaAs外延片的上方, 通过真空蒸镀的方法制备出天线电极, 同时得到天线间隙, 研制出基于LT-GaAs外延片的THz天线。 利用波长为800 nm的飞秒激光对其进行测试, 得到了质量较高的THz信号, 验证了天线的实用性。 然后在另一外延片上利用光刻微加工工艺制作出传输线和微电极, 得到了集成的THz片上系统。 使用波长为1 550 nm的飞秒激光分别激发片上系统的太赫兹产生天线和探测天线, 天线产生的太赫兹波在传输线上传播, 在探测端同样得到了质量较高的THz时域信号, 证实了THz片上系统的可行性。 该方法省去了腐蚀牺牲层以及LT-GaAs薄膜的转移、 键合等步骤, 极大地提高了片上系统的成品率, 避免了薄膜转移过程中易破碎及腐蚀液存在毒性的问题。 最后, 研究了外加电压对从片上系统中获得的THz波性能的影响, 结果为电压越高, THz波的信号强度越强; 另外, 通过在传输线上方垂直放置铜箔的方法验证了THz波沿着传输线传播的事实。 该研究中采用的基于LT-GaAs外延片的片上系统的制备方法简单, 制作周期短, 制作过程安全, 应用领域广泛, 这为将来与微流控芯片相结合实现对液体样品的探测打下了基础。
太赫兹 外延片 光电导天线 片上系统 Terahertz Epitaxial wafer LT-GaAs LT-GaAs Photoconductive antenna System on chip 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1373
1 中国科学院福建物质结构研究所, 福建 福州 350002
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高太赫兹辐射强度, 设计了带THz扼流圈的偶极天线阵列.模拟结果表明, 增加直线阵的阵元数对平均匹配效率影响很小, 却能线性增加相干辐射强度.加入THz扼流圈可减小进入到传输线的交流分量, 进而减小共振频率的偏移, 使平均匹配效率提升了两倍.相比于网格排列的平面阵, 交错排列的阵元在垂直方向上具有更小的耦合, THz发射谱更窄.通过使用聚酰亚胺透镜代替硅透镜, 可有效提高输入电阻, 并将总效率由25%提高到35%.
THz偶极天线阵列 低温砷化镓薄膜 THz扼流圈 高输入电阻 聚酰亚胺透镜 高辐射强度 terahertz dipole antenna array LT-GaAs film THz choke high input resistance polyimide lens high radiation intensity
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 西安交通大学, 陕西 西安 710049
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室, 北京 100083
5 中国科学院半导体研究所 固态光电子信息技术实验室, 北京 100083
6 首都师范大学 物理系 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
提供了一种实现片上太赫兹天线集成器件光电导开关材料低温GaAs(LT-GaAs)外延层的转移工艺, 使用HNO3-NH4OH-H2O-C3H8O7·H2O溶液-H2O2-HCl腐蚀体系化学湿法腐蚀分子束外延(MBE)生长的外延材料, Hall测试表明MBE生长的此外延材料电阻率在106 Ω·cm量级.剥离半绝缘GaAs(SI-GaAs)衬底层与Al0.9Ga0.1As牺牲层得到1.5μm LT-GaAs与环烯烃聚合物(COP)键合的结构.原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍显微镜形貌表征表明剥离后的结构表面平整光滑, 表面粗糙度(RMS)为2.28 nm, EDAX能谱仪分析显示该结构中不含Al组分, 满足光刻形成光电导开关的要求.
片上太赫兹天线集成 外延层转移 化学湿法腐蚀 on-chip THz antenna integrated device LT-GaAs LT-GaAs epitaxial layer transfer wet chemical etching
1 北京无线电计量测试研究所, 北京 100854
2 北京电子系统工程研究所, 北京 100854
3 计量与校准重点实验室, 北京 100854
采用飞秒激光激励光导开关能够产生脉宽皮秒甚至亚皮秒级的太赫兹脉冲,近年来,这项技术成为校准宽带示波器上升时间的有效手段。以低温生长砷化镓(LT-GaAs)为光导开关的基底,在飞秒激光激励下产生太赫兹脉冲,经共面波导传输,通过微波探针耦合为1.85 mm同轴输出,然后利用带宽70 GHz的取样示波器对其半幅度宽度进行测量。实验获得太赫兹脉冲的半幅度宽度(FWHM)约为7.4 ps。
太赫兹脉冲 光导开关 共面波导 terahertz pulse photoconductive switch coplanar waveguide LT-GaAs LT-GaAs
1 西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010
2 中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621900
研究了小孔径螺旋型光电导天线的太赫兹辐射特性。利用太赫兹时域光谱技术测量了螺旋 型光导天线辐射的太赫兹波谱，得到了其时域发射光谱。通过快速傅里叶变换得到相应的频域光谱，同时对两 种不同孔径螺旋天线的太赫兹辐射特性进行了比较。 实验结果表明，太赫兹信号强度会随偏置电压的增大而增强； 在偏置电压和泵浦光功率相同的情况下，较小孔径的光导天线的辐射功率较高。
太赫兹辐射 光电导天线 时域光谱技术 低温生长砷化镓 THz radiation photoconductive antenna time-domain spectroscopy LT-GaAs
中国科学院半导体研究所，集成光电子学国家重点联合实验室，超晶格国家重点实验室，北京 100083
利用低温(200℃)生长的GaAs材料作为吸收层制备了GaAs基1．55μm谐振腔增强型(RCE)光电探测器，对其光电特性进行了分析、研究．无光照0偏压下探测器暗电流为8．0×10－12A；光电流谱峰值波长1563nm；响应谱线半宽4nm，具有良好的波长选择性．
探测器 谐振腔增强 分布布喇格反射镜 Detector LT－GaAs LT-GaAs RCE DBR
中山大学超快速激光光谱学国家重点实验室,物理系,广州510275
采用飞秒脉冲光电探测技术研究低温生长砷化镓光电导开关超快瞬态响应特性.实验测得不同激发波长或偏置电压下LT-GaAs光电导开关瞬态响应驰豫时间约350～390fs,由实验数据计算得到电子迁移率约1000cm2/V.s.由导出的瞬态光电流相关响应归一化表达式,对实验曲线进行数据拟合,结果与实验曲线吻合.
飞秒激光 超快光电导开关. femtosecond laser LT-GaAs LT-GaAs ultrafast photo-conductive switch
