基于二维电子气等离极化激元共振的高速太赫兹调制器

Terahertz functional device plays a key role in terahertz application system, such as the terahertz modulator with excellent performance in terahertz high speed imaging and communication. Currently, it is the absence of electrical driven modulator with high speed and large modulation depth that hinders its advancing and application. Based on our previous researches, we propose a terahertz modulator based on the resonance of plasmon polaritons in the GaN/AlGaN two-dimensional electron gas (2DEG) . The plasmon polaritons are formed by strongly coupling plasmons and terahertz cavity modes in a grating-coupled GaN/AlGaN 2DEG in terahertz Fabry-Pérot cavity. By tuning the grating-gate voltage to change the state of the strongly-coupling system, we can efficiently manipulate the terahertz waves with high speed. The goal of this project is to explore a new mechanism for terahertz modulator and to obtain correlative systematic knowledge and techniques of it.

太赫兹功能器件在太赫兹系统中占据核心地位。在太赫兹高速成像和通信系统中高性能调制器尤为关键，目前国际上还没有研制成电驱动的高调制速度和大调制深度的太赫兹调制器，故阻碍了其发展和应用。本项目针对该问题提出了基于GaN/AlGaN二维电子气等离极化激元共振的高速太赫兹调制器的研制方案。该方案是在前期光栅耦合二维电子气谐振腔器件的低温时域透射光谱基础上提出的，实验结果表明：通过光栅栅极对强耦合系统共振条件的电调控可以实现对太赫兹波的高效、高速调制。本项目以强耦合的物理机制、高速调制器的器件物理模型、射频耦合电路、器件的加工集成技术和测试表征技术为主要内容。通过本项目的实施，探索一种基于新物理机制的太赫兹调制器并获得其相应的技术和原型器件，为相关应用提供一种可能的解决方案。

在本项目之前，我们在光栅耦合二维电子气谐振腔器件的低温时域透射光谱上观察到二维等离子体波的强共振吸收特性。基于此实验基础，本项目提出了基于GaN/AlGaN二维电子气中电子等离子体波与太赫兹谐振腔强耦合形成极化激元的高速太赫兹调制器的研究方案。通过光栅栅极电压实现对二维电子等离子体波的调控来实现对透射太赫兹波的高效和高速调制。本项目工作主要围绕二维等离激元与太赫兹腔模的强耦合物理机制、高速调制器的器件物理模型、器件的加工集成技术和测试表征技术等展开。通过本项目的实施，我们在436.4 GHz的载波频率下，器件的强度调制深度达 90.2% （10 dB），插入损耗为 2.8 dB，3 dB 工作带宽为 ~400 kHz，并且只需要 2 V的驱动电压幅值。在 8.7 K下，在约83 GHz的带宽范围内其调制深度在 90% 以上，且最大可达 ~93%。故该器件具有较高的调制深度、较小的调制驱动电压以及较大的工作带宽等优点。本项目成果的科学意义在于：探索并实现了一种不同于非共振自由载流子吸收的基于电子集体振荡吸收机制的太赫兹调制器，构筑了二维等离激元与太赫兹谐振腔的强耦合系统，为高效、高速以及可扩展的太赫兹调制器提供了新的研究思路。