太赫茲波段介質微腔光學特性研究*

盧小可 郭茂田 蘇建坡 弓巧俠 武進科 劉建立 陳明 馬鳳英

(鄭州大學物理工程學院,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,國內外對太赫茲(THz)源進行了廣泛而深入的研究,并取得了很大進展.采用微腔結構來改善THz源輻射特性的研究也在不斷深化[1-3].光學微腔是具有高品質因數且尺寸在光波長量級的光學微型諧振腔,其最簡單的結構是具有法布里—珀羅腔結構的一維平面光學微腔,即Fabry-Preot腔.微腔結構可以使腔內物質的光學態密度發生變化,出現自發輻射譜線窄化和強度增強的微腔效應[4-5].這一特性對于研究新型高效的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)構成的平面微腔,分析了微腔對光學態密度的影響,觀察到器件輻射強度在某些頻率處增強,在其他頻率處減弱的現象.呂明等[7]采用多孔硅多層膜作為Bragg反射鏡制備了有機微腔器件,其光致發光譜的光譜半寬由無腔時的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成的平面微腔對THz輻射器件的輻射性能的改善,與自由空間的光電導THz譜相比,諧振頻率的輻射強度提高了25倍,光譜半高全寬壓縮了50倍.

平面微腔結構主要由一對平行平面鏡組成.常用的微腔反射鏡有DBR和金屬反射鏡兩種.其中金屬對光的吸收損耗大,色散效應明顯.相對于金屬鏡而言,DBR是光學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構為[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR反射鏡,設計了結構為DBR/LT-GaAs/DBR的THz光學微腔結構,并模擬了微腔結構的輻射光譜.

2 理論分析

DBR結構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器件,如光子晶體濾波器[9]等.光子晶體的最根本性質是具有光子禁帶,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在空間周期性排列形成光子晶體.假定材料在考察波段無吸收,折射率分別為(na,nb),厚度為(da,db)的兩種介質交替排列形成(ab)m光子晶體的一維周期性結構,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).根據光在介質薄膜中的傳輸特性,運用傳輸矩陣法計算光子晶體的結構特性.

圖1 一維光子晶體結構示意圖

根據光在介質交界面處電場E和磁場H滿足的邊界條件,每一介質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.

對于結構為G|ab|ma的DBR膜系,其中G為襯底,折射率為nG,a,b分別代表光學厚度為λ/4的高低折射率材料,m為周期數.設入射介質的折射率為n0,此時整個 膜系的特征矩陣為

整個膜系的反射率為

反射相移為

相位穿透深度[10]為

3 實驗

運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的[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR.DBR中心波長選為200μm,對應膜系中TiO2,Al2O3,MgO的厚度分別為778,982和837 nm.采用首都師范大學THz教育部重點實驗室的Zomega-Z3型THz時域光譜透射系統獲得多層膜的時域透射譜.系統輻射光譜范圍為0.1—3.5 THz,頻譜分辨率小于5×10-3THz,最大時延大于1.3ns,THz波發射源為低溫砷化鎵(LT-GaAs),探測器為ZnTe.為了消除空氣中水分對THz波的吸收,整個系統工作時需要持續充入氮氣.

4 結果與討論

圖 2為膜系 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的時域透射譜經傅里葉變換后的頻域透射譜.從圖2中可以看出,兩種膜系結構的禁帶特性都非常明顯.膜系Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2的中心波長在225μm,與設計的 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構,且各膜層表面很難保證嚴格平行.中心波長處的反射率達到94%,在190—260μm波段范圍內的反射率均超過90%,且反射譜線較為平滑.而膜系Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的中心波長與設計結果基本符合,中心波長處的反射率也達到90%,反射譜線有較小振蕩,主要是因為MgO溶液配制過程中很容易出現團簇現象,且旋涂后的膜非常易碎,須經1100°C以上高溫煅燒才能保證測試過程中膜的完整性.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均與波長基本成線性關系.中心波長處的反射相移始終為π.圖4為兩種膜系結構的相位穿透深度.可以看出,在相應的禁帶區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,設計的THz介質鏡對稱微腔結構.腔內材料采用LT-GaAs,它在THz頻域內的吸收系數很小,色散很弱,可以認為其折射率為常數n=3.45[12],通過改變LTGaAs厚度可實現輻射峰值的連續調諧.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射光譜.其中In和Ic分別為LT-GaAs在自由空間和腔結構中的發射光譜.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峰,分別位于208和248μm,因此這兩個峰均為腔的諧振峰.圖8為腔的諧振腔長和對應的諧振級次關系圖,圖中的直線為y=29×(λ/2),該直線與腔的諧振腔長在DBR的透射禁帶有兩個交點,正好位于208和248μm附近,即對應兩個峰的諧振級次均為29,這主要是由腔的色散效應導致的.從圖6和圖7可以看出,通過引入諧振腔結構,兩種DBR組成的微腔結構在諧振峰的強度分別提高了19和14倍.通過改變腔內材料的厚度還可以實現調諧和多模發射.

圖5 Si/DBR/LT-GaAs/DBR微腔結構示意圖

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

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

5 結論

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

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的Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2介質膜系.利用 Zomeg-Z3型THz時域光譜系統獲得樣品的時域透射譜.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.設計了兩種結構的THz對稱介質腔并模擬了腔的輻射光譜.模擬結果表明,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各有一個發射峰,通過分析器件有效腔長解釋了出現兩個諧振峰的原因.研究了介質鏡微腔對THz波段光學器件的調控特性,為實現小型化、集成化的THz源提供了一種有效途徑.

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