太赫兹量子阱光电探测器的光耦合器研究

Subwavelength metallic microstructures exhibit unusual or naturally unobtainable optical properties. Using surface plasmons (SPs) and spoof surface plasmons (SSPs) excited by the subwavelength metallic microstructures, slow light, light focusing and waveguiding are achieved. In this project, subwavelength metallic microstructrures are proposed to excite SP and SSP modes for the light coupling of terahertz (THz) quantum well photodetectors (QWPs), and the purpose is to realize high-performance frontside-illuminated THz QWPs. Microstructures can be fabricated on the device surface through standard semiconductor fabrication techniques, such as photolithograhy, electron beam evaporation, and lift-off, etc. With optimized structrual parameters, strong resonant coupling can be obtained through the excitation of SPs and SSPs, which will enhance the local electric field intensity in the active region of THz QWP significantly. Therefore, great improvement in the performance of THz QWPs can be expected. This work will provide high-sensitive photonic detectors in THz region, which are the bases of broadband THz communication and high-speed real time THz imaging applications.

亚波长金属微结构与电磁波的相互作用是当前的研究热点之一。利用亚波长金属微结构激发传统的表面等离子体(SP)以及近来备受关注的诱导表面等离子体(SSP)，人们实现了慢光、光会聚和光波导等对光的控制。结合SP及SSP模的分布特性和太赫兹(THz)量子阱光电探测器(QWP)的结构特点，本项目提出在THz QWP的表面制作亚波长金属微结构，激发SP及SSP模并用于光耦合，目的在于实现正入射条件下可工作的高性能THz QWP器件。通过理论模拟获得优化的微结构参数，采用光刻、生长金属薄膜并剥离等成熟的半导体加工技术在器件表面制作亚波长金属微结构光耦合器，可在THz频段实现掺杂半导体表面SP模和金属微结构表面SSP模的激发与控制，形成共振强耦合，大幅提升器件有源区内的光强，再结合优化的器件结构布局，预期实现THz频段的高灵敏度光子型探测器，为宽带THz通信和高速THz实时成像应用奠定基础。

太赫兹（THz）量子阱探测器（QWP）是THz应用的关键器件之一，具有探测灵敏度高、响应速度快、材料生长和器件制备工艺成熟等优点，在高带宽THz通信、高速THz成像、环境监测、国家安全及反恐等领域中具有广阔的应用前景。自加拿大的刘惠春教授于2004年首次研制成功以来，THzQWP的研究已经取得广泛关注，目前正朝着高灵敏度、高工作温度以及大规模阵列探测的方向发展。然而，THzQWP的性能主要还受到以下两点的制约：(1) 由于THz的光子能量较小， THzQWP子带间的能级差通常小于30 meV，所以为了限制热激发并降低暗电流，通常需要降低量子阱中的掺杂浓度，并且需要工作在低温下。低的掺杂浓度严重影响了器件对THz光子的吸收效率，从而极大的限制了器件的探测灵敏度；(2) THzQWP对THz波的探测基于电子在子带间的跃迁实现，然而子带间跃迁选择定则要求入射光的电场偏振方向存在与多量子阱生长方向平行的分量，否则子带间跃迁不会发生。这意味这THzQWP对于垂直入射到器件表面的THz波几乎没有响应，从而不利于探测器焦平面阵列的构建。结合考虑这两大因素，本项目提出在器件表面设计高效率的光耦合器，在解决正入射情况下电场偏振问题的同时，通过实现高的光耦合效率来增强器件对THz光子的吸收效率，进而实现正入射条件下可工作的高灵敏度THzQWP。经过3年的努力，课题组成功开发出了高效率的光耦合器，并实现了高性能的THzQWP，器件在峰值探测频率的噪声等效功率小于1 pW/√Hz。基于相关成果，课题组成员共发表学术论文7篇，申请国家发明专利7项，全面完成了项目预期指标。当前，THz技术仍属于前沿技术，THz探测器主要应用于科研领域。本项目开发的THzQWP的光耦合器，可大幅度提升器件的响应率，研究结果对于高性能THz光子型探测器的研发具有重要科学价值，对于加速我国THz技术的积累和应用具有推动作用。