外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟(InP)晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

张亮亮，张 锐，徐晓燕，张存林

1. 北京太赫兹光谱重点实验室，教育部太赫兹光电子重点实验室，首都师范大学物理系，北京 100048 2. 北京大学工程学院，北京 100871

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟(InP)晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

张亮亮1，张 锐2，徐晓燕1，张存林1

1. 北京太赫兹光谱重点实验室，教育部太赫兹光电子重点实验室，首都师范大学物理系，北京 100048 2. 北京大学工程学院，北京 100871

磷化铟(InP)属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能，在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内，在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围(0.5～18 THz)内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生，使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能，明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制，太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟，同时振幅会降低。另外，太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光，在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低，特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定，与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。

磷化铟; 超宽频带太赫兹光谱; 光学特性

引 言

InP和掺杂的InP属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，是一种重要的材料，在微电子器件以及光电子器件中有许多技术应用，比如太阳能电池，肖基特二极管和激光二极管。近期，InP晶片在毫米波应用领域引起了极大的兴趣[1]。基于InP的毫米波源和放大器可以获得高的输出功率[2]，显示出了在高频段被应用的很大可能性[1]。

同时，随着太赫兹产生和探测技术的发展，太赫兹时域光谱学被广泛地应用于研究不同材料的光学特性，比如生物组织[3]，化学药品和炸药[4]。到目前为止，开发新型功能组件来产生更强和更宽频带的太赫兹波已成为迫切的需求。由于InP晶片在毫米波的应用中展示出了高性能，在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力[5]。然而，InP在太赫兹波段(0.1～10 THz)的光学特性还没有完全被描绘以及系统地研究。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围[6]，在4～10 THz频率范围InP的太赫兹光学数据还是空白。完全理解InP在整个太赫兹波段的特性是相当必要的，以使其更好的用作高效太赫兹器件。

近期，利用激光诱导气体等离子体产生宽频谱的太赫兹技术已经被发展作为太赫兹波发射器以及传感器，光谱系统的频谱范围可以覆盖0.1～10 THz的整个太赫兹范围[7]。特别是基于空气等离子体的外差式相干探测太赫兹(air-biased-coherent-detection，ABCD)的方法已经实现，利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生，使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能，明显提高了系统的动态范围和灵敏度[8-9]。太赫兹ABCD光谱仪显著提高了有效频谱带宽，因而在材料的研究上吸引了越来越多的注意力[10-11]。

本工作利用空气等离子体产生和相干外差式探测太赫兹波的时域光谱仪，有效频谱范围覆盖0.8～18 THz，测量分析了无掺杂的InP晶片超宽频谱的太赫兹光谱以及折射率和吸收系数。

1 实验部分

图1为实验装置示意图，钛蓝宝石激光放大器产生重复频率1 kHz，中心波长800 nm，脉冲宽度为40 fs的飞秒激光脉冲。泵浦光(功率是1.2 W)被一个焦距为100 mm的凸透镜聚焦，通过厚度为100 μm的BBO倍频晶体之后产生二次谐波，基频波和二次谐波聚焦在空气中产生空气等离子体，在等离子体中遂穿(电离)产生时变电流，从而产生向前传播的太赫兹辐射。太赫兹波被四个离轴的抛物面镜收集并聚焦，一个高电阻率的硅片放在太赫兹传播路径中阻挡剩余的飞秒激光。聚焦的探测光通过一个打孔的焦距2英寸的抛物面镜后与太赫兹波共线聚焦在同一点，太赫兹场在此点诱导产生二次谐波场。在太赫兹波和探测光的共焦处两侧加有一对线性电极提供的交流偏压(电压2 kV，重复频率500 Hz)，高压场和探测光场相互作用导致二次谐波产生，此二次谐波作为本振信号，与太赫兹波诱导的二次谐波共同通过400 nm带通滤波器后输入光电倍增管(PMT)中，相干探测出太赫兹波。

Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

上述方法优点在于可以产生和探测0.2～18 THz宽频谱太赫兹波，因为实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器而不是用电光晶体或者光导天线，所以产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制。图1系统中黑色矩形方框部分被充入干燥的氮气避免水蒸气对太赫兹的吸收。充入氮气部分后相对湿度控制在4%以下，实验测量在室温下进行。研究了厚度是350 μm无掺杂的半导体InP晶片的超宽太赫兹光谱，样品放在第二个抛物面镜PM2的焦点处采用透射式测量。

(1)

(2)

(3)

式中d是样品厚度，c0是光在样品中的传播速度。

2 结果与讨论

参考信号(上)和样品信号(下)的太赫兹时域波如图2所示。太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟，同时振幅降低。样品信号延迟是因为太赫兹波在InP晶片中的传播速度比在空气中慢，InP晶片对太赫兹的反射与吸收使得样品信号的振幅较低。在样品信号的边缘出现了许多回波，表明存在磷化铟的共振效应。

Fig.2 The THz time-domain waveforms for the reference (a) and sample (b) signals

图3为太赫兹参考信号和样品信号的时域谱通过快速傅里叶变换后相应的频谱图，包括了本底噪声。参考信号的频谱可覆盖0.5～21 THz的超宽太赫兹连续谱范围，由于在泵浦路用了高电阻率的硅片挡掉剩余的红光，出现在18 THz附近的光谱特征为硅片的双声子吸收所引起的[8]。在图中很明显地看出样品太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。

Fig.3 The corresponding frequency spectra of the reference and sample signals. The frequency spectrum of the noise floor is also plotted

吸收系数和折射率如图4所示，图中曲线1为InP的折射率，曲线2表示InP的吸收系数。由于太赫兹频率超过18 THz时样品的动态范围很低，只给出了带宽为18 THz范围内的光学参数。图中两条竖直虚线表明InP晶片在6.7 THz和12.1 THz处是两个特殊的点。在0.8～6.7 THz的低频段，InP的折射率从1.27～3.86单调递增。样品的吸收系数在0.8～3.5 THz范围内先减小，在3.5 THz时达到最小值167.93 cm-1。在3.5～3.9 THz范围内出现三个很弱的吸收峰，而后吸收系数显著地增加直至6.7 THz。在6.7～12.1 THz频段InP有一个很强的吸收。当频率继续增加时吸收系数会呈很明显的下降趋势。在6.7～12.1 THz范围内由于出现许多离散共振，样品的折射率从3.86减小到1.89。

Fig.4 The refractive index (line 1) and absorption coefficient (line 2) of InP within the frequency range of 0.5～18 THz

在12.1～18 THz更高的频率范围内，磷化铟的折射率从1.89～2.63单调递增。同时，吸收系数在12.1～12.3 THz范围内先显著下降，在12.3～13.4 THz范围内在430～650 cm-1内变化。在13.4～14.4 THz范围内出现一个相对较强的吸收频带，最高值可达到1 053.69 cm-1。而后在14.4～15 THz范围内吸收系数减小，在此范围内吸收系数保持在370 cm-1以下，但是在大于17.5 THz出现了一个强的吸收峰。

InP是光学器件和电子器件[1]以及半导体很常用的基底，在频率6.7～12.1 THz范围内InP超高的吸收系数表明在此范围内研究依赖于InP的半导体器件不可行。然而，在0.8～6.7和12.1～18 THz范围内InP的吸收系数较低。特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定。与此同时，InP的折射率在0.8～18 THz范围内先增加后减少，在6.7和12.1 THz处是两个转折点。在整个太赫兹频段对InP光学特性的所有认识有利于基于InP的光学组件的设计，比如高效应用在非线性太赫兹领域的太赫兹发射器、探测器和调制器。

3 结 论

利用基于空气等离子体的外差式相干探测太赫兹波时域光谱仪，对无掺杂的InP晶片在0.8～18 THz的超宽频段的光学特性进行了研究。观察到InP在6.7～12.1 THz内有非常强的吸收，其折射率在0.8～6.7和12.1～18 THz范围内单调增加。这一研究结果为宽带太赫兹系统中基于InP光学器件的设计奠定了良好的基础。

[1] Aspnes D E, Studna A A. Phys. Rev. B, 1993, 27: 985.

[2] Radisic V, Mei X B, Deal W R, et al. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett., 2007, 17: 223.

[3] Brun M A, Formanek F, Yasuda A, et al. Phys. Med. Biol., 2010, 55: 4615.

[4] Zhang L L, Zhong H, Deng C, et al. Applied Physics Letters，2008，92： 091117.

[5] Rouvalis E, Renaud C C, Moodie D G, et al. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60: 509.

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[7] Dai J, Zhang X C. Appl. Phys. Lett., 2009，94： 021117.

[8] Karpowicz N, Dai J M, Lu X F, et al. Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 011131.

[9] Zhang L L, Zhong H, Mu K J, et al. Opt. Express, 2012，20： 75.

[10] Yang Y P, Wang W Z, Zhang Z W, et al. Phys. Chem. C, 2011, 115: 10333.

[11] Zalkovskij M, Bisgaard C Z, Novitsky A, et al. Appl. Phys. Lett., 2012, 100: 031901.

The Detection of Ultra-Broadband Terahertz Spectroscopy of InP Wafer by Using Coherent Heterodyne Time-Domain Spectrometer

ZHANG Liang-liang1, ZHANG Rui2, XU Xiao-yan1, ZHANG Cun-lin1

1. Beijing Key Lab for Terahertz Spectroscopy and Imaging, Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Capital Normal University, Beijing 100048, China 2. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Indium Phosphide (InP) has attracted great physical interest because of its unique characteristics and is indispensable to both optical and electronic devices. However, the optical property of InP in the terahertz range (0.110 THz) has not yet been fully characterized and systematically studied. The former researches about the properties of InP concentrated on the terahertz frequency between 0.1 and 4 THz. The terahertz optical properties of the InP in the range of 4～10 THz are still missing. It is fairly necessary to fully understand its properties in the entire terahertz range, which results in a better utilization as efficient terahertz devices. In this paper, we study the optical properties of undoped (100) InP wafer in the ultra-broad terahertz frequency range (0.5～18 THz) by using air-biased-coherent-detection (ABCD) system, enabling the coherent detection of terahertz wave in gases, which leads to a significant improvement on the dynamic range and sensitivity of the system. The advantage of this method is broad frequency bandwidth from 0.2 up to 18 THz which is only mainly limited by laser pulse duration since it uses ionized air as terahertz emitter and detector instead of using an electric optical crystal or photoconductive antenna. The terahertz pulse passing through the InP wafer is delayed regarding to the reference pulse and has much lower amplitude. In addition, the frequency spectrum amplitude of the terahertz sample signal drops to the noise floor level from 6.7 to 12.1 THz. At the same time InP wafer is opaque at the frequencies spanning from 6.7 to 12.1 THz. In the frequency regions of 0.8～6.7 and 12.1～18 THz it has relativemy low absorption coefficient. Meanwhile, the refractive index increases monotonously in the 0.8～6.7 THz region and 12.1～18 THz region. These findings will contribute to the design of InP based on nonlinear terahertz devices.

InP； Ultra-broadband terahertz spectroscopy； Optical property

Dec. 19, 2014; accepted Apr. 16, 2015)

2014-12-19，

2015-04-16

国家自然科学基金项目(11374007)，全国优秀博士论文项目(201237)和香江学者计划项目(G-YZ53)资助

张亮亮，女，1979年生，首都师范大学物理系太赫兹教育部重点实验室副研究员 e-mail: zhlliang@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0322-04