太赫兹波段介质微腔光学特性研究*

卢小可 郭茂田 苏建坡 弓巧侠 武进科 刘建立 陈明 马凤英

(郑州大学物理工程学院,郑州 450001)

(2012年11月20日收到;2012年12月9日收到修改稿)

1 引言

目前,国内外对太赫兹(THz)源进行了广泛而深入的研究,并取得了很大进展.采用微腔结构来改善THz源辐射特性的研究也在不断深化[1-3].光学微腔是具有高品质因数且尺寸在光波长量级的光学微型谐振腔,其最简单的结构是具有法布里—珀罗腔结构的一维平面光学微腔,即Fabry-Preot腔.微腔结构可以使腔内物质的光学态密度发生变化,出现自发辐射谱线窄化和强度增强的微腔效应[4-5].这一特性对于研究新型高效的THz辐射源具有重要的意义.Hideto等[6]制作了分布式布拉格反射镜(distributed Bragg refl ector,DBR)构成的平面微腔,分析了微腔对光学态密度的影响,观察到器件辐射强度在某些频率处增强,在其他频率处减弱的现象.吕明等[7]采用多孔硅多层膜作为Bragg反射镜制备了有机微腔器件,其光致发光谱的光谱半宽由无腔时的83 nm窄化为4 nm,非共振模得到有效的抑制.本课题组[8]研究了全金属反射镜构成的平面微腔对THz辐射器件的辐射性能的改善,与自由空间的光电导THz谱相比,谐振频率的辐射强度提高了25倍,光谱半高全宽压缩了50倍.

平面微腔结构主要由一对平行平面镜组成.常用的微腔反射镜有DBR和金属反射镜两种.其中金属对光的吸收损耗大,色散效应明显.相对于金属镜而言,DBR是光学微腔反射镜的最佳选择.本文采用匀胶法在高阻硅衬底上制备了结构为[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR反射镜,设计了结构为DBR/LT-GaAs/DBR的THz光学微腔结构,并模拟了微腔结构的辐射光谱.

2 理论分析

DBR结构上可看作一维光子晶体.目前,已相继提出了多种基于光子晶体的全新光子学器件,如光子晶体滤波器[9]等.光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的.一般采用两种折射率不同的介质在空间周期性排列形成光子晶体.假定材料在考察波段无吸收,折射率分别为(na,nb),厚度为(da,db)的两种介质交替排列形成(ab)m光子晶体的一维周期性结构,空间周期d=da+db,如图1所示.白色部分a代表高折射率层,灰色部分b代表低折射率层.一束频率为ω的光从左向右垂直入射(θ=0).根据光在介质薄膜中的传输特性,运用传输矩阵法计算光子晶体的结构特性.

图1 一维光子晶体结构示意图

根据光在介质交界面处电场E和磁场H满足的边界条件,每一介质层与光波的相互作用可由下述特征矩阵完全决定：

分别为膜层a和b的特征矩阵.其中δj=2πnjdj/λ为薄膜的相位厚度.矩阵(1),(2)包含了薄膜的全部有用参数.

对于结构为G|ab|ma的DBR膜系,其中G为衬底,折射率为nG,a,b分别代表光学厚度为λ/4的高低折射率材料,m为周期数.设入射介质的折射率为n0,此时整个 膜系的特征矩阵为

整个膜系的反射率为

反射相移为

相位穿透深度[10]为

3 实验

运用匀胶法在单面抛光的高阻硅衬底(厚度400µm,晶向〈111〉,电阻率为5000Ω·cm,在THz波段的折射率为nG=3.4[11])上制备厚度在微米量级的[TiO2/Al2O3]2/TiO2,[TiO2/MgO]2/TiO2的DBR.DBR中心波长选为200µm,对应膜系中TiO2,Al2O3,MgO的厚度分别为778,982和837 nm.采用首都师范大学THz教育部重点实验室的Zomega-Z3型THz时域光谱透射系统获得多层膜的时域透射谱.系统辐射光谱范围为0.1—3.5 THz,频谱分辨率小于5×10-3THz,最大时延大于1.3ns,THz波发射源为低温砷化镓(LT-GaAs),探测器为ZnTe.为了消除空气中水分对THz波的吸收,整个系统工作时需要持续充入氮气.

4 结果与讨论

图 2为膜系 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的时域透射谱经傅里叶变换后的频域透射谱.从图2中可以看出,两种膜系结构的禁带特性都非常明显.膜系Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2的中心波长在225µm,与设计的 200µm存在25µm的偏移.其原因可能是采用旋涂法成膜,成膜性能与蒸镀法相比在致密性及膜层之间的附着性上都相差很多.形成的膜层在微观上是疏松多孔的结构,且各膜层表面很难保证严格平行.中心波长处的反射率达到94%,在190—260µm波段范围内的反射率均超过90%,且反射谱线较为平滑.而膜系Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的中心波长与设计结果基本符合,中心波长处的反射率也达到90%,反射谱线有较小振荡,主要是因为MgO溶液配制过程中很容易出现团簇现象,且旋涂后的膜非常易碎,须经1100°C以上高温煅烧才能保证测试过程中膜的完整性.图3为膜系Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2的反射相移.从图3中可以看出,两种膜系反射相移在截止区均与波长基本成线性关系.中心波长处的反射相移始终为π.图4为两种膜系结构的相位穿透深度.可以看出,在相应的禁带区域相位穿透深度基本保持不变.

图2 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的透射谱

图3 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的反射相移

图4 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si[TiO2/MgO]2/TiO2的相位穿透深度

图5 为以[TiO2/Al2O3]2TiO2或[TiO2/MgO]2/TiO2为两端反射镜,设计的THz介质镜对称微腔结构.腔内材料采用LT-GaAs,它在THz频域内的吸收系数很小,色散很弱,可以认为其折射率为常数n=3.45[12],通过改变LTGaAs厚度可实现辐射峰值的连续调谐.图6和图7分别为Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2和 Si/[TiO2/MgO]2TiO2/LTGaAs(12µm)/[TiO2/MgO]2TiO2在垂直腔面方向上的模拟发射光谱.其中In和Ic分别为LT-GaAs在自由空间和腔结构中的发射光谱.从图6可以看出,器件 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2在DBR的透射禁带存在两个峰,分别位于208和248µm,因此这两个峰均为腔的谐振峰.图8为腔的谐振腔长和对应的谐振级次关系图,图中的直线为y=29×(λ/2),该直线与腔的谐振腔长在DBR的透射禁带有两个交点,正好位于208和248µm附近,即对应两个峰的谐振级次均为29,这主要是由腔的色散效应导致的.从图6和图7可以看出,通过引入谐振腔结构,两种DBR组成的微腔结构在谐振峰的强度分别提高了19和14倍.通过改变腔内材料的厚度还可以实现调谐和多模发射.

图5 Si/DBR/LT-GaAs/DBR微腔结构示意图

图6 腔Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/Al2O3]2 TiO2的模拟发射光谱

图7 腔Si/[TiO2/MgO]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/MgO]2 TiO2的模拟发射光谱

5 结论

图 8 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/Al2O3]2 TiO2的有效腔长

本文分别以纳米TiO2,Al2O3和MgO粉末为原料,采用匀胶法制作了厚度在微米量级的Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2介质膜系.利用 Zomeg-Z3型THz时域光谱系统获得样品的时域透射谱.采用传输矩阵法模拟了Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2和Si/[TiO2/MgO]2/TiO2两种DBR的反射相移和相位穿透深度等.设计了两种结构的THz对称介质腔并模拟了腔的辐射光谱.模拟结果表明,与自由空间THz器件相比,微腔器件的峰值功率分别提高了19和14倍.器件 Si/[TiO2/Al2O3]2TiO2/LT-GaAs(12µm)/[TiO2/Al2O3]2TiO2在208和248µm各有一个发射峰,通过分析器件有效腔长解释了出现两个谐振峰的原因.研究了介质镜微腔对THz波段光学器件的调控特性,为实现小型化、集成化的THz源提供了一种有效途径.

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