新型混合波导THz发射器件的设计与制备研究

本项目的最终目标是用日趋成熟的飞秒（fs）光纤激光系统替代传统的、昂贵的、难于维护的fs钛宝石固体激光系统，应用于太赫兹（THz）产生技术，使THz辐射系统或器件更加紧凑、廉价、稳定和易于维护。为此我们在众多用光子学方法产生THz辐射的方法中寻找到一种适合光纤激光系统泵浦的方法- - -即在半导体砷化镓（GaAs）晶体中实现光整流非线性过程产生宽带THz脉冲；并对其进行两项创新的改进：一引入波导结构，使非线性过程可以在接近相位匹配条件下进行；二构建二阶光栅，使产生的THz分量可以辐射到空中。最终实现能用光纤激光脉冲泵浦的混合波导器件，产生宽带THz辐射。.器件新颖之处是用非对称波导结构来解决相位匹配问题，与常规地引入对称波导结构不同的是，非对称结构在实现相位匹配的同时，还具备了将波导芯层内的THz脉冲能量耦合到空气中的界面- - -即在该界面刻蚀上二阶分布反馈光栅可实现面向自由空间的THz辐射。

本项目研究内容是设计和制备一种新型的光整流THz发射器件，理想的光整流要求THz波在晶体内的相速度与光脉冲的群速度一致，但是在GaAs晶体中，光波和THz波的传播速度的差异导致光波与THz波在很短的相干长度（0.78 mm）外就发生走离，使得光/THz能量转换效率急剧下降。本项目的新意是通过适当选择晶体作为GaAs晶体的基底，构成一个非对称的GaAs平板波导，使THz导模波与光脉冲的群速度匹配，从而在原理上提高能量转换效率。同时，要使波导器件及其耦合输出界面的制备尽可能与常规的平面半导体工艺统一，是该器件否能够得以应用和推广的关键。我们从设计入手，依据成熟的半导体工艺，完成了两项大的改进：一是基底材料的改变，将原来的非对称三层平板波导结构“空气/GaAs/AlGaAs”改为“空气/GaAs/Si”；二是将THz波向自由空间辐射的二阶光栅结构改为电介质表面金属涂覆栅结构。折射率可调的AlGaAs晶体与GaAs晶体的晶格匹配，是理想的基底材料，但通过晶体外延生长（高端）技术制备厚度为百um的基底，造价太高；而单晶硅的晶格结构与GaAs类似，可以通过晶圆直接键合（中端）技术将它们光胶在一起，分别作为波导的基底和芯层。我们系统地分析了THz脉冲在“空气/GaAs/Si”波导内的演变，得到了最佳波导长度和最大转换效率（光/THz转换效率为1.5 ‰）。第二项改进是针对将产生出的THz波及时输送到自由空间的耦合结构。我们最初提出在GaAs晶体表面刻蚀二阶平面介质THz栅（齿深约30 um）作为THz耦合输出界面，但是在GaAs晶体上扫描干蚀10几个周期结构，成了器件制备的瓶颈。采用金属栅遇到的问题是，金属的折射率在THz波段比空气大两个数量级，所以THz电磁波更容易被限制在金属薄膜内，形成一种等离子振荡模式，如何打破这种等离子体振荡模式，让更多的THz能量能够辐射到自由空间成为我们的科学问题。我们发现对于同一个金属薄膜周期结构，它的泄漏模和共振模在频域内是不交叠的，而目前人们大多关注THz等离子激元、对THz的泄漏模的研究很少。我们填补了这个空白。更有意义的是采用平面工艺制备的电解质表面金属栅能实现平面波导的THz波垂直耦合输出，在制备上，它比常规的硅棱镜阵列有很大的优势。经过上述工作，该器件的制备工艺已经可以与常规的平面半导体工艺统一了，这是目前本项目取得的最大成果。