基于硅微纳米结构的光控太赫兹调制器

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近年来,太赫兹技术被誉为“世纪前沿革命”,在通信、光谱学、医学成像、安全检查等领域具有广泛应用。而太赫兹调制器技术的落后,限制了太赫兹技术的发展和应用。本文提出了一种高效的光控太赫兹调制器,能够在低功耗下有效提高太赫兹调制器的调制深度。微纳米表面结构可以形成泵浦光的多次反射,从而产生更强的泵浦光吸收和更多的的光生载流子。本研究据此提出一种基于硅微纳米结构的光控太赫兹调制器,包括硅纳米柱结构、硅纳米针结构以及硅纳米孔结构。相较于平面硅的太赫兹调制器,硅微纳米结构的光控太赫兹调制器明显具有更高的太赫兹调制效率。1、通过酸法刻蚀腐蚀出硅纳米针结构,并转移上石墨烯制备成一种光控太赫兹波调制器。表征和测试结果表明,随着泵浦光功率的增大,调制深度逐渐增大;随着硅纳米针腐蚀时间的加长,调制深度逐渐增大;石墨烯对太赫兹的调制深度增加影响显著。在1200m W的808nm泵浦光照射下,10分钟刻蚀深度的硅纳米针结构+石墨烯调制器对太赫兹波的振幅调制深度达到94.97%,调制能力良好,效果突出。2、将硅纳米柱结构、硅纳米针结构以及硅纳米孔结构构建模型并进行太赫兹调制深度的仿真实验。仿真结果结果表明,在相同条件下,具有较高泵浦光吸收率的硅纳米结构比平面硅具有更大的太赫兹波调制深度;与532nm波长的泵浦光束相比,808nm波长的泵浦光束可以获得更高的太赫兹波调制深度。在808nm泵浦光照射下,当光功率为60mw/mm2时,硅纳米针结构的调制器在2THz的太赫兹波调制深度高达91.63%,在所有模型中拥有最佳的太赫兹波调制效果。然而,在较短的泵浦光波长(532nm)下,所有模型的太赫兹波调制性能下降,并且最佳调制性能出现在硅纳米孔结构的调制器中。3、为了阐明硅微纳米结构对太赫兹波的影响,本文建立了梯度折射率层理论模型,研究不同硅微纳米结构对太赫兹波的减反射效果。在2THz下,5μm高度的硅纳米柱结构、硅纳米孔结构以及硅纳米针结构的太赫兹波反射率分别为26.22%、21.04%和0.63%,与仿真实验结果相互验证。本文的工作为光控太赫兹波调制器的设计提供了进一步的实验和理论指导。
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