太赫兹(THz)物理、器件及其应用.ppt
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太赫兹物理、器件及其应用太赫兹物理、器件及其应用太赫兹(太赫兹(THz)波)波介介于于毫毫米米波波与与红红外外光光之之间间,频频率率在在0.1-10THz(波波长为长为3毫米毫米-30微米)范围,又称微米)范围,又称T-射线射线电磁波谱图电磁波谱图辐射能量越强辐射能量越强频率(频率(HzHz)THz波重要性波重要性与与X光光相相比比,THz波波能能量量低低,不不会会破破坏坏生生物物组组织织,具具有有很很高高安安全全性性,适合安检和医学成像适合安检和医学成像与与红红外外光光比比,THz特特征征光光谱谱对对很很多多大大分分子子来来说说更更易易分分辨辨,可可很很好好地地用用于于鉴鉴别毒品和爆炸物等别毒品和爆炸物等与与微微波波相相比比,THz成成像像分分辨辨率率更更高高;THz通通信更保密、安全信更保密、安全海洛因海洛因THz吸收谱吸收谱2.4THz机场安检机场安检X光检测光检测THz成像成像研究状况研究状况美国:
美国:
国防部、空军、能源部国防部、空军、能源部(THz连续、大功率源连续、大功率源)航天局航天局(THz遥感遥感)国家卫生学会国家卫生学会(THz医学成像医学成像)DARPA欧盟:
欧盟:
StarTigerTHz空间计划、遥感、成像空间计划、遥感、成像THz-bridge生物医学诊断生物医学诊断TeravisionTHz成像器件、成像器件、THz相机相机日本:
日本:
列列为为十十年年战战略略规规划划首首位位。
发发展展THz病病理诊断、毒品和爆炸物检测技术等理诊断、毒品和爆炸物检测技术等中国中国国家重大需求国家重大需求国家重点管制类毒品国家重点管制类毒品THzTHz谱谱要害部门、场所安全监控要害部门、场所安全监控全国吸毒人员全国吸毒人员114万万北京北京2.6万万摇头丸摇头丸THz辐射有望成为一种新的辐射有望成为一种新的公共安全监控技术公共安全监控技术THz振荡源振荡源:
自由电子激光器,气体激光器自由电子激光器,气体激光器Gunn振荡器,振荡器,Bloch振荡器振荡器电光晶体电光晶体半导体半导体THz振荡器振荡器THz量子级联激光器(量子级联激光器(THzQCL)THz探测器探测器:
热辐射探测器热辐射探测器热电探测器热电探测器电光晶体电光晶体THzQWP两个重大基础问题:
两个重大基础问题:
UCSBUCSBUCSBUCSB的自由电子激光器的自由电子激光器的自由电子激光器的自由电子激光器THz振荡器和探测器振荡器和探测器各类各类THz源技术特点源技术特点自由电子激光器,同步辐射光源自由电子激光器,同步辐射光源l输出频率覆盖范围宽输出频率覆盖范围宽l输出功率高输出功率高l光束质量好光束质量好l功耗高、体积庞大功耗高、体积庞大CO2泵浦小分子气体泵浦小分子气体THz激光器激光器l输输出出频频率率准准连连续续(更更换换工工作作介介质质可可覆盖覆盖0.3-7.0THz)l输出功率输出功率50毫瓦毫瓦l光束质量高光束质量高l重量约重量约70公斤公斤l结构复杂;功耗约结构复杂;功耗约3千瓦千瓦返波管(返波管(BWO)l输出频率范围输出频率范围1.11THzl输出功率输出功率1-10毫瓦毫瓦l体积约体积约0.50.40.5立方米立方米l功耗功耗600瓦;重量瓦;重量45公斤公斤飞秒激光泵浦、差频飞秒激光泵浦、差频THz发生器发生器l输出频率范围输出频率范围3.0THzl输出功率低输出功率低毫瓦量级毫瓦量级l功耗高、结构复杂、难于集成功耗高、结构复杂、难于集成Gunn振荡器振荡器l输出频率范围输出频率范围1.0THzl高频段输出功率低(微瓦)高频段输出功率低(微瓦)P-Ge振振荡荡器器;半半导导体体负负有有效效质质量量振振荡荡器器;基基于于带带内内反反射射的的THz振振荡器;超晶格荡器;超晶格Bloch振荡器振荡器l新新器器件件概概念念、原原型型器器件件阶阶段段,无无成熟器件、发展有很大不确定性成熟器件、发展有很大不确定性维吉尼亚公司产品技术参数维吉尼亚公司产品技术参数100-300GHz输出功率输出功率1-30mW300-600GHz输出功率输出功率0.1-8mW600-900GHz输出功率输出功率10-500微瓦微瓦1.0-1.7THz输出功率输出功率1-60微瓦微瓦各类各类THz探测器技术特点探测器技术特点半导体肖特基二极管半导体肖特基二极管l体积小、重量轻体积小、重量轻l响应频段响应频段2.5THzl外差探测,需外差探测,需THz本地振荡源本地振荡源超导体绝缘体超导体隧穿结探测器超导体绝缘体超导体隧穿结探测器l体积小、重量轻体积小、重量轻l探测灵敏度高,逼近量子极限探测灵敏度高,逼近量子极限l响应频段响应频段1.5THzl制冷温度约制冷温度约4Kl需需THz本地振荡源本地振荡源Bolometer;Pyroelectricdetectorl探测率低探测率低l响应速度慢,通信速度提不上去响应速度慢,通信速度提不上去l无光谱分辨本领无光谱分辨本领利用低维结构中利用低维结构中THz引起的等离子体振荡引起的等离子体振荡l新器件概念,原理型器件阶段新器件概念,原理型器件阶段THz量子阱探测器量子阱探测器l按需设计响应频段按需设计响应频段l响应速度快响应速度快l灵敏度较高灵敏度较高l体积小、稳定、寿命长体积小、稳定、寿命长l制冷需求高(制冷需求高(20-50K)一、一、THz探测器与物理探测器与物理二、二、THz激光器与物理激光器与物理三、三、THz通信初步通信初步THz量子阱探测器量子阱探测器(THzQWP)THz量子阱探测器(量子阱探测器(THzQWP)l按需设计响应频段按需设计响应频段l响应速度快响应速度快l灵敏度较高灵敏度较高l体积小、稳定、寿命长体积小、稳定、寿命长l需制冷需制冷THz量子阱探测器特点量子阱探测器特点THzQWP主要工作主要工作u基基于于THz感感生生的的碰碰撞撞离离化化模模型型,解解释释了了THz场场在在低低维维半导体的吸收规律半导体的吸收规律;合作研制了;合作研制了2-7THzQWP-Phys.Rev.Lett.91,237401(2003)-Phys.Rev.B69,165203(2004).-Appl.Phys.Lett.84,4068(2004)u计计算算了了GaAs光光学学声声子子吸吸收收对对THzQWP的的光光谱谱响响应应的的影影响响;研研制制了了提提高高THzQWP吸吸收收系系数数的的新新结结构构(改改变变阱阱宽和掺杂宽和掺杂),吸收系数超过,吸收系数超过20%,以实现高速探测,以实现高速探测-InfraredPhysicsandTechnology47,169(2005)-IEEEJSelTopQuantElect14,374(2008)u研究了多体效应对研究了多体效应对THzQWP响应峰位影响响应峰位影响-Appl.Phys.Lett.94,201101(2009)发展了发展了THz感生的碰撞离化模型感生的碰撞离化模型J.C.Cao,Phys.Rev.Lett.91,237401(2003).J.C.Cao,Phys.Rev.B69,165203(2004).利用利用THz感生的电子空穴对的产生机制解释了感生的电子空穴对的产生机制解释了THz吸收过程。
表明:
吸收过程。
表明:
(1)电子无序散射是低场强和中等场强下的主要决定因素。
)电子无序散射是低场强和中等场强下的主要决定因素。
(2)高场强下的吸收则主要由带间碰撞离化决定。
)高场强下的吸收则主要由带间碰撞离化决定。
应用于应用于THz探测器设计探测器设计THz/FIR在石墨烯的吸收THz双层石墨烯纳米带探测器A.R.Wright,J.C.Cao,C.Zhang,Phys.Rev.Lett.103,207401(2009)构造了石墨烯的一个子类双层纳米带,计算表明,其手性和带间耦合使THz/FIR光学响应显著增强,可达普适电导e2/4的80140倍可望实现常温的高灵敏度的THz探测器克服了石墨烯在电子学和光子学应用的一个障碍RefereeComments:
Thismanuscriptpredictsthatcertaintypesofnano-ribbonsofbilayergraphenehaveveryhighopticalconductivity.Thisworkwillverylikelymotivateexperiments一、一、THz探测器与物理探测器与物理二、二、THz激光器与物理激光器与物理三、三、THz通信初步通信初步量子级联新结构的应用使得激射波长从红外波段量子级联新结构的应用使得激射波长从红外波段提升了提升了10倍,推进到倍,推进到THz波段波段(2002)Kohleretal,NATURE417,156(2002)原理:
原理:
电子从高能级跃迁到低能电子从高能级跃迁到低能级释放出级释放出THz辐射辐射THz量子级联激光器量子级联激光器THzQCL主要工作主要工作u发发展展了了THzQCLMC模模拟拟程程序序,设设计计了了基基于于共共振振声子散射的声子散射的THzQCL。
研究了子带激光器动力学。
研究了子带激光器动力学-Phys.Rev.Lett.90,077402(2003)-Appl.Phys.Lett.88,061119(2006)-J.Appl.Phys.104,043101(2008)u完成了完成了THzQCL材料生长、器件制作材料生长、器件制作-Appl.Phys.Lett.90,041112(2007)-Appl.Phys.Lett.92221105(2008)-J.Appl.Phys.103,103113(2008)u优化了优化了THzQCL器件设计器件设计-Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)-Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)-J.Phys.D:
Appl.Phys.42,025101(2009)RoadmapofTHzQCLThefirstTHzQCL-Khleret.al,Nature2002(Pisa,Italy)Chirped-superlatticeSemi-insulatingsurfaceplasmonwaveguideLasingat4.4THzMaximumoperatingtemperatureof50KJ.Faist,APL2002Q.Hu,APL2003H.C.Liu,NRC,APL87,141102(2005)J.C.CaosGroup,SIMIT,Shanghai,2007THzQCLMC模拟MonteCarloMethodUsedtosolvemathematicalproblemsbyrandom-numbertechnologyUsingrandomnumbersinanessentialwaytosimulatescatteringprocessesThedifferential-integralequationsusuallyincludehigh-ordernumericalintegrationsThesemi-classicalBEfortransportofBlochelectrons:
Wherecanbereplacedbycollisionintegral:
MCsolutionofBoltzmannequationI-V和器件调谐特性模拟与实验和器件调谐特性模拟与实验Appl.Phys.Lett.,89,211115(2006)J.Appl.Phys.103,103113(2008)J.Appl.Phys.104,043101(2008)Appl.Phys.Lett.92,221105(2008)对于于四四阱阱共共振振声声子子THzQCL,考考虑电子子-电子子、电子子-杂质、电子子-LO声声子子散散射射以以及及热声声子子效效应之之后后,模模拟的的I-V曲曲线和和实验测量量结果果十十分吻合。
分吻合。
设计偏偏压11kV/cm(对应12V),峰峰值增增益益66cm-1,辐射射频率率4.1THz计算的激射范算的激射范围:
10.2-13V测量的激射范量的激射范围:
10.9-13.3VTHzQCL参数优化参数优化Appl.Phys.Lett.92,221105(2008).Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)DUT:
Three-wellresonant-phononTHzQCLWehavesimulatedtheeffectsofthreeparameters,i.e.,dopingconcentration,injectionandextractionbarrierwidth,andphononextractionlevelseparationonthedeviceperformance.Designedbias:
14.4kV/cmLasingtransitionoccurfromlevel4to3,andlevels3
(2)to1areforLO-phonondepopulationOptimizingprocess:
InjectionbarrierwidthextractionbarrierwidthdopingconcentrationTheoptimizedextractionbarrierwidthformaximalgainis36,whichareingoodagreementwiththemeasuredresults.GaindependenceonextractionbarrierwidthAppl.Phys.Lett.92,221105(2008)THzQCL内部温度分布模拟内部温度分布模拟J.Phys.D:
Appl.Phys.42,205102(2009)(a)(b)(c)采用有限元方法模拟计算了THzQCL器件内部的温度分布如图(a)所示。
器件有源区的温度要远远高于热沉温度。
图(a)中的A、B、C三条直线所对应的温度梯度分别如图(b)(c)所示。
THzQCL研制与测试研制与测试V90GSMBEMaterialgrowthGaAs-SubstrateGaAs-SubstrateGaAs-BufferGaAs-BufferAl0.55Ga0.45AsAl0.55Ga0.45AsGaAsn+GaAsn+Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsn+GaAsn+Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsGaAsn+GaAsn+GaAsn+GaAsn+GaAsn+GaAsn+Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsn+GaAsn+Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsPackageddevicen+GaAsreceptorsubstrateFabricationPowersupplyTHzradiationClusterSimulationTHzQCL研制流程研制流程THz量子器件材料生长设备量子器件材料生长设备V90V90GSMBEV80V80GSMBE气态源分子束外延(气态源分子束外延(GSMBE)系统系统FTIRSpectroscopyUV-VisSpectroscopyECV,PVS&HallI-V,I-P&C-VX-rayDiffractionTHz器件、材料表征设备器件、材料表征设备THz器件测试器件测试光谱测量装置光谱测量装置THzQCL器件器件傅立叶红外光谱仪傅立叶红外光谱仪DTGS探测器探测器温控仪温控仪脉冲电源脉冲电源示波器示波器THzQCL焦热电探测器焦热电探测器离轴抛物镜离轴抛物镜聚乙烯窗片聚乙烯窗片THz器件光功率测量器件光功率测量THzQCL器件工艺器件工艺热压键合:
热压键合:
0.5MPa,250oC,30min1.在在n+GaAs衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键合用金属层。
合用金属层。
2.热压键合热压键合3.去除样品的半绝缘去除样品的半绝缘GaAs衬底衬底4.蒸镀上电极金属蒸镀上电极金属5.刻蚀或腐蚀出条型激光器刻蚀或腐蚀出条型激光器6.制作下电极,解理并封装成激光器器件。
制作下电极,解理并封装成激光器器件。
n+GaAs衬底衬底半绝缘半绝缘GaAs衬底衬底LaserStructure半绝缘半绝缘GaAs衬底衬底LaserStructure1.在在n+GaAs衬衬底底和和样样品品表表面面蒸蒸镀镀欧欧姆姆接接触触和和键键合合用用金属层金属层2.热压键合热压键合3.去去除除样样品品的的半半绝绝缘缘GaAs衬底衬底4.制作上电极制作上电极5.刻蚀或腐蚀条型激光器刻蚀或腐蚀条型激光器6.制制作作下下电电极极,解解理理并并封封装装成激光器器件成激光器器件3.2THzQCL研制研制Lasingat3.2THzinpulsedmodePulsewidth:
3s,repetitionrate:
1kHz;Measuredat10KDevicesize:
150m2mm有源区:
束缚态到连续态跃迁设计有源区:
束缚态到连续态跃迁设计波导:
半绝缘等离子波导波导:
半绝缘等离子波导Absorption相相对湿度湿度较大大时,采用采用FTIR测量的量的大气距离大气距离为10cm的的透射谱结果透射谱结果3.39THz(113cm-1)THz频段大气窗口段大气窗口2007年自主生年自主生长的材料所制作器的材料所制作器件的激射件的激射频率率2008年以年以THz频频段为载波的无线段为载波的无线通信实验中所采通信实验中所采用的频点用的频点4.1THz(138cm-1)l温度:
温度:
100K(p),40K(cw)l功率:
功率:
10mWl频率:
率:
4.1THzl寿命寿命长,稳定性高定性高l需要的制冷功耗:
需要的制冷功耗:
5-12Wn+GaAsreceptorsubstrate工作示意图工作示意图THz辐射辐射电源电源THzQCL器件器件通信用通信用4.1THzQCL一、一、THz探测器与物理探测器与物理二、二、THz激光器与物理激光器与物理三、三、THz通信初步通信初步THz尚未分配的波段尚未分配的波段(THzRange)Unallocated0.3THz30THz3THz当前使用及正将出当前使用及正将出现的无的无线通信系通信系统WLAN(WirelessLocalAreaNetworks)-IEEE802.11b,11Mbps,2400-2483.5MHz-IEEE802.11g,54Mbps,2400-2483.5MHz-IEEE802.11a,54Mbps,5150-5350MHz,5470-5725MHz,5725-5825MHz-IEEE802.11n,100Mbps,optionalbiszu600Mbps,Freq.like802.11a-WIGWAMProject,upto1Gbps,5,17,24,60GHz,MIMOWPAN(WirelessPersonalAreaNetworks)-Bluetooth,IEEE802.15.1a,1Mbps,2400-2483.5MHz-High-rateWPANs,IEEE802.15.3a,realized500Mbps,planned1.3Gbpsseveralmeters,UWBbased,3.1-10.6GHz-HighdatarateWPANs,IEEE802.15.3c,planned2Gbpsseveralmeters,mm-Wave,60GHzband(57-64GHz)目前目前THz波段尚未分配波段尚未分配,可,可为未来的未来的大容量高速通信大容量高速通信提供巨大的提供巨大的带宽资源源THz波通信的特点波通信的特点具有其它频段光通信的优点具有其它频段光通信的优点带宽宽带宽宽高信噪比高信噪比天线小天线小定向性好定向性好散射小散射小安全性高安全性高在安全保密通信方面在安全保密通信方面对于空间通信,大气可作为天然屏障,通信过程难以侦测对于空间通信,大气可作为天然屏障,通信过程难以侦测对于地面短距离通信,水气吸收严重,中远程探测极难实现对于地面短距离通信,水气吸收严重,中远程探测极难实现作为新兴技术,可消除在信息接收、发送和监测的盲区作为新兴技术,可消除在信息接收、发送和监测的盲区电话线电话线BW50k同轴电缆同轴电缆BW10M光纤光纤BW100M射频器件射频器件BW5G毫米波器件毫米波器件BW50GTHz波器件波器件BW1TTHz通信通信大容量、高速的需求大容量、高速的需求2015年,年,THz室内和室外通信将分室内和室外通信将分别达到达到100Gbps和和40Gbps以上以上的通信速率的通信速率预期的期的THz通信通信发展路展路图NaturePhoton.Vol.1,97(2007)欧洲欧洲IPHOBAC的的预计2012年年,商商用无用无线通通信系信系统的的通信速率通信速率有望到有望到10GbpsIPHOBAC是欧洲一是欧洲一项开始于开始于2006年年(为期期三年三年)的的计划,划,该计划划整合了光子学和无整合了光子学和无线电技技术来制作高于来制作高于30GHz的毫米波光子的毫米波光子(mmWP)器件器件。
该计。
该计划汇集了划汇集了6个国家的个国家的11个研究机构个研究机构。
未来高速率未来高速率(百百Gbps)信号信号传输迫切需要迫切需要THz器件器件及及THz通信系通信系统的快速的快速发展展THz通信的主要通信的主要应用用领域域THzcarrierwavesBasestation小区超宽带无线通信小区超宽带无线通信THzWave室内宽带无线通信室内宽带无线通信空空间保保密通信密通信战战地地地地THzTHz短短短短距离保密通信距离保密通信距离保密通信距离保密通信小小结结lTHz研究在近些年内取得了巨大进展研究在近些年内取得了巨大进展l我我国国在在THzQCL研研制制方方面面取取得得进进展展,并并形形成成了了研研究究队伍合理、设备齐全的研究平台队伍合理、设备齐全的研究平台lTHz空空间间通通信信有有望望实实现现信信息息的的快快速速、大大容容量量和和高高保保密密传传输输,进进行行THz通通信信试试验验有有望望在在这这一一领领域域实实现现跨跨越式发展越式发展lTHz空空间间通通信信方方案案与与短短波波长长光光通通信信方方案案类类似似,可可以以借借鉴鉴已已有有技技术术,但但在在关关键键器器件件研研制制、特特定定制制冷冷系系统统研制等方面具有挑战性和重要意义研制等方面具有挑战性和重要意义
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- 赫兹 THz 物理 器件 及其 应用
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