太赫兹源和太赫兹探测器的制作方法

1.本技术涉及太赫兹的技术领域，具体地，本技术涉及太赫兹源和太赫兹探测器。


背景技术：

2.太赫兹是指介于微波和中红外波段之间的电磁波段，频率为0.1-10thz(波长约为30μm至3mm)。太赫兹波段的电磁波具有频带宽、光子能量低、安全性好、强光谱分辨能力、相干性强等优点，因此在无线通信(如6g通信)、雷达和成像、医学诊断、材料标准、安全检测等领域具有广泛的应用前景。
3.现有技术中的太赫兹源发出的太赫兹波的发散角大，近似于点源辐射球面波。因此，现有技术中的太赫兹源需要贴合超半球硅透镜使用，通过超半球硅透镜对太赫兹源发出的太赫兹波进行会聚和准直，以形成类似平面波的辐射，以会聚更多的太赫兹波。而超半球硅透镜，其半球状的结构使其与太赫兹源的对准难度高，不利于太赫兹波发射装置的小型化。
4.因此，亟需一种新的太赫兹源。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为解决现有太赫兹源需要贴合超半球硅透镜使用，且对准难度高的技术问题，本技术实施例如下技术方案。
6.一方面，本技术实施例提供了一种太赫兹源，所述太赫兹源包括衬底和太赫兹脉冲源；其中，
7.所述衬底的一侧直接设置有周期性排布的纳米结构，以使所述衬底具有准直光相位；
8.所述太赫兹脉冲源被设置于所述衬底背离所述纳米结构的一侧。
9.可选地，所述纳米结构的相位分布满足：
[0010][0011]
其中，n
10
为所述衬底的折射率，k0为太赫兹波在真空中的波矢，f为所述衬底的焦距。
[0012]
可选地，所述衬底的厚度与所述衬底的焦距正相关。
[0013]
可选地，所述衬底的厚度等于所述衬底的焦距减去纳米结构的高度。
[0014]
可选地，所述衬底的厚度为650微米。
[0015]
可选地，所述太赫兹脉冲源被设置于所述衬底的焦平面。
[0016]
可选地，所述衬底的材质包括硅、砷化镓、磷化铟、铟镓砷、蓝宝石、石英、氧化镁、甲基戊烯聚合物、聚乙烯或聚四氟乙烯中的任意一种。
[0017]
可选地，所述纳米结构与所述衬底的材质相同。
[0018]
可选地，所述纳米结构与所述衬底的材质不同。
[0019]
可选地，所述纳米结构的材质包括硅、砷化镓、磷化铟、铟镓砷、蓝宝石、石英、氧化镁、氮化硅中的任一种。
[0020]
可选地，所述纳米结构以可密堆积图形的样式周期性排列；其中，所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有所述纳米结构。
[0021]
可选地，所述纳米结构以正六边形、正四边形或扇环形的形式周期性排列。
[0022]
可选地，所述纳米结构的形状包括具有旋转对称性的柱状结构。
[0023]
可选地，所述纳米结构的形状包括方形柱状结构、方形环柱状结构、十字形柱状结构、圆柱或圆环形柱状结构中的任一种或多种的组合。
[0024]
可选地，所述纳米结构的特征尺寸大于或等于0.01λc，且小于或等于0.9λc；λc为太赫兹脉冲源发出的太赫兹波的中心波长。
[0025]
可选地，所述纳米结构的特征尺寸大于或等于10微米，且小于或等于65微米。
[0026]
可选地，所述纳米结构的高度大于或等于0.2λc，且小于或等于5λc；λc为太赫兹脉冲源发出的太赫兹的中心波长。
[0027]
可选地，所述太赫兹脉冲源包括光电导天线、共振隧穿二极管或自旋太赫兹源。
[0028]
由于光路的可逆性，上述实施例中提供的衬底还可以用于太赫兹波的另一方面，本技术实施例还提供了一种太赫兹探测器，所述太赫兹探测器包括如上述任一实施例提供的衬底。
[0029]
本技术实施例提供的技术方案至少取得了以下有益效果：
[0030]
本技术实施例提供的太赫兹源的衬底一侧直接设置有周期性排列的纳米结构，以使衬底具有准直相位。换言之，本技术实施例提供的太赫兹源的衬底本身具有准直相位，不需要配合超半球硅透镜使用，也不存在对准难度高的问题。
[0031]
本技术实施例提供的太赫兹探测器，其衬底的一侧直接设置有周期性的纳米结构，由光路的可逆性可知，该衬底对入射的太赫兹波具有会聚作用，不需要贴合对准透镜便能实现对入射太赫兹波的会聚，易于集成，有利于太赫兹接收器件的小型化和轻量化。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本技术实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本技术实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
[0033]
图1示出了传统的太赫兹源结合高阻硅超透镜的一种可选的结构示意图；
[0034]
图2示出了本技术实施例提供的太赫兹源的一种可选的结构示意图；
[0035]
图3示出了本技术实施例提供的太赫兹源的又一种可选的结构示意图；
[0036]
图4示出了本技术实施例提供的太赫兹源的又一种可选的结构示意图；
[0037]
图5示出了本技术实施例提供的纳米结构的一种可选的排布示意图；
[0038]
图6示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图；
[0039]
图7示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的排布示意图；
[0040]
图8示出了本技术实施例提供的纳米结构的一种可选的结构示意图；
[0041]
图9示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；
[0042]
图10示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；
[0043]
图11示出了本技术实施例提供的纳米结构的又一种可选的结构示意图；
[0044]
图12示出了本技术实施例提供的衬底用于太赫兹探测器的一种可选的电场示意图。
[0045]
图中附图分别表示：
[0046]
01-天线衬底；02-天线电极；03-硅衬底；04-硅纳米柱；10-衬底；20-太赫兹脉冲源；101-纳米结构。
具体实施方式
[0047]
现将在下文中参照附图更全面地描述本技术，在附图中示出了各实施方式。然而，本技术可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本技术将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本技术的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
[0048]
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
[0049]
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
[0050]“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
[0051]
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
[0052]
在下文中，将参照附图描述根据本技术的示例性实施方式。
[0053]
现有技术中的超半球硅透镜除了与太赫兹源的对准难度高之外，其对太赫兹波的会聚能力也有限。通常，经过超半球硅透镜准直后的太赫兹波的发散角大于30
°
。因此，太赫兹源发出的太赫兹波经超半球硅透镜准直后仍为发散角较小的锥形波束，因此还需要增加太赫兹透镜或抛物面镜进行进一步准直以形成平面波束，这进一步限制了太赫兹波的应用。现有技术中的太赫兹源(例如共振隧穿二极管)的辐射功率低，超半球硅透镜的会聚与准直能够提高太赫兹波的能量利用率。
[0054]
参见图1，将现有技术中的超半球硅透镜替换成高阻硅超透镜，即在太赫兹源的衬底上贴合高阻硅超透镜，能够降低二者的对准难度，也能够通过设置超透镜的相位分布进一步减小经准直后太赫兹波的发散角。图1中太赫兹源的天线衬底01背离天线电极02的一
侧与高阻硅超透镜的硅基底03贴合，硅基底03远离天线衬底01的一侧设置有硅纳米柱04。图1中，由于天线衬底01和高阻硅超透镜的厚度限制，图1中的高阻硅超透镜的焦距为2000微米。
[0055]
然而，发明人发现虽然用高阻硅超透镜替换超半球硅透镜对太赫兹波的发散角有所减小，但从高阻硅超透镜出射的太赫兹波相比太赫兹源直接出射的太赫兹波仍然损耗严重。对此，发明人发现即使太赫兹源的衬底与高阻硅超透镜的硅基底的折射率相近，但二者依旧存在界面不匹配，从而引入损耗；同时，高阻硅超透镜的硅基底与空气相邻的界面存在较大的折射率差，反射损耗严重。此外，发明人发现硅基底的存在增加了太赫兹源与高阻硅超透镜的出射面之间的距离，从而导致部分太赫兹波在传播过程中从衬底以及硅基底的侧壁发散。因此，在太赫兹源衬底上贴合高阻硅超透镜时存在能量无法收集准直的问题，降低了收集效率。
[0056]
对此，如图2至图4所示，本技术实施例提供了一种太赫兹源。该太赫兹源包括衬底10和太赫兹脉冲源20。该衬底10的一侧直接设置有周期性排列的纳米结构101，以使衬底10具有准直光相位。太赫兹脉冲源20设置于衬底10背离纳米结构101的一侧。
[0057]
具体地，周期性排列的纳米结构101在衬底10的一侧形成超表面，使衬底10具有准直光相位。太赫兹脉冲源20产生的太赫兹波从衬底10具有纳米结构101的一侧出射。经过纳米结构101的调制，从衬底10具有纳米结构101的一侧出射的太赫兹波相比太赫兹脉冲源20直接发出的太赫兹波发散角减小。通过调节纳米结构101的形状、特征尺寸和排列周期，可以使衬底10的相位分布满足设计需求。借此，本技术实施例提供的衬底10可以使太赫兹波从具有纳米结构101的一侧出射时发散角减小至30度以下。
[0058]
更进一步地，衬底10上纳米结构101的相位分布满足如下公式(1)：
[0059][0060]
公式(1)中，n
10
为衬底10的折射率，k0为太赫兹波在真空中的波矢，f为衬底10的焦距，x，y分别为纳米结构101在衬底10上的位置坐标。例如，纳米结构所在的衬底表面的中心位置为原点(0，0)。
[0061]
应理解，本技术实施例提供的太赫兹源包括光电导天线、共振隧穿二极管(rtd，resonant tunneling diode)或自旋太赫兹源等。例如，若该太赫兹源为光电导天线或rtd，太赫兹脉冲源20为相应的电极。再例如，若该太赫兹源为自旋太赫兹源时，太赫兹脉冲源20为相应的自旋异质结薄膜，如铁磁/非磁异质结薄膜。上述电极或铁磁/非磁异质结薄膜受到飞秒激光或更短脉冲的激光的激励能够产生太赫兹波段的辐射。本领域技术人员不难理解，对于光电导天线和rtd，本技术实施例提供的衬底10背离纳米结构101的一侧为重掺杂表面，设置有纳米结构101的一侧为本征半导体。
[0062]
根据本技术的实施方式，衬底10的材料优选在太赫兹波段辐射效率较高的材料。例如，衬底10的材料可以是砷化镓(gaas)、磷化铟(inp)、铟镓砷(ingaas)、硅、蓝宝石(al2o3)、石英(sio2)、氧化镁(mgo)等材料中的任一种。优选地，衬底10选用gaas或inp可以提高本身且衬底10的材料还可以是tpx(甲基戊烯聚合物)、pe(聚乙烯)或ptfe(聚四氟乙烯)等对太赫兹波高透过率的有机材料。例如，衬底可选地由对太赫兹波的透过率大于或等于50％的材料制备。衬底材料对太赫兹波的透过率与太赫兹波的波长有关。例如，tpx，pe和
ptfe对处于200微米至1000微米波段中的太赫兹波的透过率均达到80％以上。
[0063]
根据本技术的实施方式，纳米结构101的材料包括硅、砷化镓、磷化铟、铟镓砷(ingaas)、蓝宝石、石英、氧化镁或氮化硅等对太赫兹波高透过率的材料。在一些可选的实施方式中，如图3所示，纳米结构101与衬底10的材质相同。对于图3中所示的纳米结构，可以在衬底10的表面直接用半导体工艺生长与衬底材质相同的纳米结构101，也可以是在衬底10的表面直接进行刻蚀，刻蚀所得的负结构或刻蚀后保留的结构均可以作为本技术实施例提供的纳米结构101。在其中一个实施例中，如图4所示，纳米结构101与衬底10的结构不同。对此，可以直接通过半导体工艺生长与衬底材质不同的纳米结构101。
[0064]
根据本技术的实施方式，衬底10的厚度与其焦距f正相关。例如衬底10的厚度与焦距f相等。如图2所示，衬底10的厚度d满足d＝f-h，其中，f为衬底10的焦距，h为纳米结构101的高度。太赫兹脉冲源20设置于衬底10的焦平面上，优选地设置于衬底10的焦点位置。对于具有准直相位的衬底10，其焦点位于衬底10的中心轴上。
[0065]
根据本技术的实施方式，纳米结构101以可密堆积图形的样式周期性排布，该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构101。可密堆积图形是指一种或多种可以无缝隙不重叠地填充整个平面的图形，如正六边形、正方形和扇环形等。图5示出了纳米结构101以正六边形周期性排布的一种可选的示意图。图6示出了纳米结构101以正四边形周期性排布的一种可选的示意图。图7示出了纳米结构101以扇环形周期性排布的一种可选的示意图。
[0066]
优选地，本技术实施例提供的纳米结构101以正六边形的样式周期性排布。相比正四边形，正六边形的排布更加紧凑，纳米结构101的占空比更大，能更有效地利用空间，单位面积所需的纳米结构101数量更小。借此，既能够节约成本，也能够增大衬底10的有效折射率的调控范围，从而减少高折射率界面与低折射率界面产生的全反射损耗，提高斜入射太赫兹波的透过率。
[0067]
根据本技术的实施方式，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.01λc，且小于或等于0.9λc；λc为太赫兹脉冲源发出的太赫兹波的中心波长。示例性地，纳米结构的直径大于或等于10微米，小于或等于65微米。可选地，纳米结构的特征尺寸大于或等于10微米，且小于或等于65微米。可选地，纳米结构的高度大于或等于0.2λc，且小于或等于5λc；λc为太赫兹脉冲源发出的太赫兹的中心波长。
[0068]
根据本技术的实施方式，纳米结构101的形状为偏振无关的结构。可选地，纳米结构101为旋转对称的柱状结构。例如，纳米结构101可以是圆柱，也可以是正四边形柱、正方形环柱、十字形柱、圆形环柱等。图8示出了纳米结构101为正四边形柱的可选的结构示意图。图9示出了纳米结构101为正四边形环柱的可选的结构示意图。图10示出了纳米结构101为十字形柱的可选的结构示意图。图11示出了纳米结构101为圆环形柱的可选的结构示意图。在一些可选的实施例中，纳米结构101之间还填充有除空气外其他对太赫兹波透明的材料。纳米结构之间填充材料的折射率与纳米结构折射率的差值的绝对值大于或等于0.5。
[0069]
实施例1
[0070]
本技术一个示例的实施例中，本技术实施例提供的太赫兹源为光电导天线。太赫兹脉冲源20为光电导天线的电极，衬底10为gaas材质，纳米结构101为gaas圆柱结构。更具体地，衬底10的支撑部的厚度为650微米；纳米结构101的直径可以是10微米到65微米区间
的任意一个或多个数值，纳米结构101的高度为150微米。该实施例中，纳米结构101以正六边形的样式周期性排布，排列周期为75微米。太赫兹脉冲源的中心轴与衬底10的中心轴对准。
[0071]
如图2所示，该衬底10的焦距为500微米。若该衬底10的半径为2400微米，通过三角函数计算可得本技术实施例提供的衬底10可收集发散角在θ1＝156
°
范围内的太赫兹波。若图1中的高阻硅超透镜的半径同样为2400微米，则通过三角函数计算可得该高阻硅超透镜可收集发散角在θ2＝100
°
范围内的太赫兹波。因此，本技术实施例提供的衬底10的表面直接设置纳米结构101使其焦距小于图1中所示的高阻硅超透镜的焦距。借此，本技术实施例提供的衬底10极大地提高了对太赫兹波的收集和准直能力，从而提高了该太赫兹源的辐射效率。
[0072]
根据光路可逆原理，衬底10对太赫兹脉波的准直与聚焦互为可逆过程。因此，本技术实施例提供的衬底10也可用于太赫兹波的探测。本技术实施例还提供了一种太赫兹探测器，该探测器包括如上述实施例提供的衬底10。优选地，当太赫兹波从环境中照射到衬底10设置有纳米结构101的一侧表面后，经纳米结构101会聚到衬底10另一侧表面的中心。例如，本技术实施例提供的太赫兹探测器为光电导天线，则该太赫兹探测器在衬底10背离纳米结构101的一侧还设置有金属电极。
[0073]
实施例2
[0074]
实施例2提供的衬底10为gaas材料，厚度为650微米。纳米结构101为gaas材质的纳米圆柱，其直径从10微米至65微米中选择以使衬底的相位覆盖2π，高度为150微米。实施例2中纳米结构101以正六边形的样式排布，排列周期为75微米。该衬底10的焦距为500微米。金属电极的中心位于衬底的中心轴上。通过电磁仿真计算该衬底10半径为2400微米时衬底10的电场分布，入射太赫兹波的中心波长选取400微米，基于中心波长设置gaas对入射太赫兹波的折射率为3.6。图12示出了对实施例2提供的衬底10的电磁仿真结果。如图2所示，太赫兹波从衬底10具有纳米结构101的一侧射入，被有效会聚到焦距500微米处。
[0075]
综上所述，本技术实施例提供的太赫兹源的衬底一侧直接设置有周期性排列的纳米结构，使衬底具有准直光相位。相较于现有技术，该衬底能够收集更大发散角的太赫兹波，提高太赫兹波的辐射效率。并且，本技术实施例通过衬底一侧直接设置的纳米结构对太赫兹波进行会聚和准直，相比超半球透镜具有更强的准直能力。相较于现有技术，本技术提供的衬底一侧直接设置有纳米结构不需要与透镜进行对准，易于集成，有利于太赫兹发射器件的小型化和轻量化。
[0076]
本技术实施例提供的太赫兹探测器的衬底一侧直接设置有周期性的纳米结构，不需要贴合对准透镜便能实现对入射太赫兹波的会聚，易于集成，有利于太赫兹接收器件的小型化和轻量化。
[0077]
以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。