太赫茲波段介質(zhì)微腔光學(xué)特性研究*

盧小可 郭茂田 蘇建坡 弓巧俠 武進(jìn)科 劉建立 陳明 馬鳳英

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院,鄭州 450001)

(2012年11月20日收到;2012年12月9日收到修改稿)

1 引言

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)太赫茲(THz)源進(jìn)行了廣泛而深入的研究,并取得了很大進(jìn)展.采用微腔結(jié)構(gòu)來(lái)改善THz源輻射特性的研究也在不斷深化[1-3].光學(xué)微腔是具有高品質(zhì)因數(shù)且尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微型諧振腔,其最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是具有法布里—珀羅腔結(jié)構(gòu)的一維平面光學(xué)微腔,即Fabry-Preot腔.微腔結(jié)構(gòu)可以使腔內(nèi)物質(zhì)的光學(xué)態(tài)密度發(fā)生變化,出現(xiàn)自發(fā)輻射譜線窄化和強(qiáng)度增強(qiáng)的微腔效應(yīng)[4-5].這一特性對(duì)于研究新型高效的THz輻射源具有重要的意義.Hideto等[6]制作了分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg refl ector,DBR)構(gòu)成的平面微腔,分析了微腔對(duì)光學(xué)態(tài)密度的影響,觀察到器件輻射強(qiáng)度在某些頻率處增強(qiáng),在其他頻率處減弱的現(xiàn)象.呂明等[7]采用多孔硅多層膜作為Bragg反射鏡制備了有機(jī)微腔器件,其光致發(fā)光譜的光譜半寬由無(wú)腔時(shí)的83 nm窄化為4 nm,非共振模得到有效的抑制.本課題組[8]研究了全金屬反射鏡構(gòu)成的平面微腔對(duì)THz輻射器件的輻射性能的改善,與自由空間的光電導(dǎo)THz譜相比,諧振頻率的輻射強(qiáng)度提高了25倍,光譜半高全寬壓縮了50倍.

平面微腔結(jié)構(gòu)主要由一對(duì)平行平面鏡組成.常用的微腔反射鏡有DBR和金屬反射鏡兩種.其中金屬對(duì)光的吸收損耗大,色散效應(yīng)明顯.相對(duì)于金屬鏡而言,DBR是光學(xué)微腔反射鏡的最佳選擇.本文采用勻膠法在高阻硅襯底上制備了結(jié)構(gòu)為[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR反射鏡,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)為DBR/LT-GaAs/DBR的THz光學(xué)微腔結(jié)構(gòu),并模擬了微腔結(jié)構(gòu)的輻射光譜.

2 理論分析

DBR結(jié)構(gòu)上可看作一維光子晶體.目前,已相繼提出了多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件,如光子晶體濾波器[9]等.光子晶體的最根本性質(zhì)是具有光子禁帶,落在禁帶中的光是被禁止傳播的.一般采用兩種折射率不同的介質(zhì)在空間周期性排列形成光子晶體.假定材料在考察波段無(wú)吸收,折射率分別為(na,nb),厚度為(da,db)的兩種介質(zhì)交替排列形成(ab)m光子晶體的一維周期性結(jié)構(gòu),空間周期d=da+db,如圖1所示.白色部分a代表高折射率層,灰色部分b代表低折射率層.一束頻率為ω的光從左向右垂直入射(θ=0).根據(jù)光在介質(zhì)薄膜中的傳輸特性,運(yùn)用傳輸矩陣法計(jì)算光子晶體的結(jié)構(gòu)特性.

圖1 一維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)光在介質(zhì)交界面處電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H滿足的邊界條件,每一介質(zhì)層與光波的相互作用可由下述特征矩陣完全決定：

分別為膜層a和b的特征矩陣.其中δj=2πnjdj/λ為薄膜的相位厚度.矩陣(1),(2)包含了薄膜的全部有用參數(shù).

對(duì)于結(jié)構(gòu)為G|ab|ma的DBR膜系,其中G為襯底,折射率為nG,a,b分別代表光學(xué)厚度為λ/4的高低折射率材料,m為周期數(shù).設(shè)入射介質(zhì)的折射率為n0,此時(shí)整個(gè) 膜系的特征矩陣為

整個(gè)膜系的反射率為

反射相移為

相位穿透深度[10]為

3 實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用勻膠法在單面拋光的高阻硅襯底(厚度400μm,晶向〈111〉,電阻率為5000Ω·cm,在THz波段的折射率為nG=3.4[11])上制備厚度在微米量級(jí)的[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR.DBR中心波長(zhǎng)選為200μm,對(duì)應(yīng)膜系中TiO2,Al2O3,MgO的厚度分別為778,982和837 nm.采用首都師范大學(xué)THz教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Zomega-Z3型THz時(shí)域光譜透射系統(tǒng)獲得多層膜的時(shí)域透射譜.系統(tǒng)輻射光譜范圍為0.1—3.5 THz,頻譜分辨率小于5×10-3THz,最大時(shí)延大于1.3ns,THz波發(fā)射源為低溫砷化鎵(LT-GaAs),探測(cè)器為ZnTe.為了消除空氣中水分對(duì)THz波的吸收,整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)需要持續(xù)充入氮?dú)?

4 結(jié)果與討論

圖 2為膜系 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的時(shí)域透射譜經(jīng)傅里葉變換后的頻域透射譜.從圖2中可以看出,兩種膜系結(jié)構(gòu)的禁帶特性都非常明顯.膜系Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2的中心波長(zhǎng)在225μm,與設(shè)計(jì)的 200μm存在25μm的偏移.其原因可能是采用旋涂法成膜,成膜性能與蒸鍍法相比在致密性及膜層之間的附著性上都相差很多.形成的膜層在微觀上是疏松多孔的結(jié)構(gòu),且各膜層表面很難保證嚴(yán)格平行.中心波長(zhǎng)處的反射率達(dá)到94%,在190—260μm波段范圍內(nèi)的反射率均超過(guò)90%,且反射譜線較為平滑.而膜系Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的中心波長(zhǎng)與設(shè)計(jì)結(jié)果基本符合,中心波長(zhǎng)處的反射率也達(dá)到90%,反射譜線有較小振蕩,主要是因?yàn)镸gO溶液配制過(guò)程中很容易出現(xiàn)團(tuán)簇現(xiàn)象,且旋涂后的膜非常易碎,須經(jīng)1100°C以上高溫煅燒才能保證測(cè)試過(guò)程中膜的完整性.圖3為膜系Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的反射相移.從圖3中可以看出,兩種膜系反射相移在截止區(qū)均與波長(zhǎng)基本成線性關(guān)系.中心波長(zhǎng)處的反射相移始終為π.圖4為兩種膜系結(jié)構(gòu)的相位穿透深度.可以看出,在相應(yīng)的禁帶區(qū)域相位穿透深度基本保持不變.

圖2 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的透射譜

圖3 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的反射相移

圖4 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的相位穿透深度

圖5 為以[TiO2/Al2O3]2TiO2或[TiO2/MgO]2/TiO2為兩端反射鏡,設(shè)計(jì)的THz介質(zhì)鏡對(duì)稱(chēng)微腔結(jié)構(gòu).腔內(nèi)材料采用LT-GaAs,它在THz頻域內(nèi)的吸收系數(shù)很小,色散很弱,可以認(rèn)為其折射率為常數(shù)n=3.45[12],通過(guò)改變LTGaAs厚度可實(shí)現(xiàn)輻射峰值的連續(xù)調(diào)諧.圖6和圖7分別為Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2和 Si/[TiO2/MgO]2TiO2/LTGaAs(12μm)/[TiO2/MgO]2TiO2在垂直腔面方向上的模擬發(fā)射光譜.其中In和Ic分別為L(zhǎng)T-GaAs在自由空間和腔結(jié)構(gòu)中的發(fā)射光譜.從圖6可以看出,器件 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2在DBR的透射禁帶存在兩個(gè)峰,分別位于208和248μm,因此這兩個(gè)峰均為腔的諧振峰.圖8為腔的諧振腔長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的諧振級(jí)次關(guān)系圖,圖中的直線為y=29×(λ/2),該直線與腔的諧振腔長(zhǎng)在DBR的透射禁帶有兩個(gè)交點(diǎn),正好位于208和248μm附近,即對(duì)應(yīng)兩個(gè)峰的諧振級(jí)次均為29,這主要是由腔的色散效應(yīng)導(dǎo)致的.從圖6和圖7可以看出,通過(guò)引入諧振腔結(jié)構(gòu),兩種DBR組成的微腔結(jié)構(gòu)在諧振峰的強(qiáng)度分別提高了19和14倍.通過(guò)改變腔內(nèi)材料的厚度還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧和多模發(fā)射.

圖5 Si/DBR/LT-GaAs/DBR微腔結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 腔Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/Al2O3]2 TiO2的模擬發(fā)射光譜

圖7 腔Si/[TiO2/MgO]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/MgO]2 TiO2的模擬發(fā)射光譜

5 結(jié)論

圖 8 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/Al2O3]2 TiO2的有效腔長(zhǎng)

本文分別以納米TiO2,Al2O3和MgO粉末為原料,采用勻膠法制作了厚度在微米量級(jí)的Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2介質(zhì)膜系.利用 Zomeg-Z3型THz時(shí)域光譜系統(tǒng)獲得樣品的時(shí)域透射譜.采用傳輸矩陣法模擬了Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2兩種DBR的反射相移和相位穿透深度等.設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的THz對(duì)稱(chēng)介質(zhì)腔并模擬了腔的輻射光譜.模擬結(jié)果表明,與自由空間THz器件相比,微腔器件的峰值功率分別提高了19和14倍.器件 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12μm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2在208和248μm各有一個(gè)發(fā)射峰,通過(guò)分析器件有效腔長(zhǎng)解釋了出現(xiàn)兩個(gè)諧振峰的原因.研究了介質(zhì)鏡微腔對(duì)THz波段光學(xué)器件的調(diào)控特性,為實(shí)現(xiàn)小型化、集成化的THz源提供了一種有效途徑.

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