器件调制特性优化：简介、应用和实验

用FDTD算法模拟了h=60μm、b=30μm和不同InSb电导率下器件的传输谱线,如图4.18所示。当InSb电导率为10 S/m时,在0.5 THz、1.1 THz和1.325 THz处存在三个禁带,带宽均为60 GHz。由图可以看出,该器件可以用作带边缘非常陡峭的带阻滤波器。随着InSb载流子浓度的增加,传输谱线中前两个谐振强度逐渐减弱、中心频率处透过率逐渐提高,当载流子浓度达到2×105 S/m时,这两个谐振完全消失,THz波几乎完全透过器件。第三个谐振却不同,它并没有随着InSb载流子浓度增加而消失,而是中心频率从1.325 THz向高频移动到1.38 THz。

图4.18　h=60μm、b=30μm和不同InSb电导率下器件的传输谱线[6]

(a)0.2～0.8 THz;(b)1～1.6 THz

这三个禁带依次对应着上面提到的三个谐振,它们的调制过程显然是不同的,它们不同的调制机理可以由图4.19(a)和图4.19(b)很好地解释。在低温下,InSb载流子浓度很低,表现为电介质状态,三个谐振存在于金属槽内,其中两个纵模在InSb中谐振。当温度升高后,InSb载流子浓度提高,变为损耗金属状态,两个纵模不能存在于InSb中,金属槽也就不再支持纵模谐振,导致两个纵模消失。因此,在0.5 THz和1.1 THz处60 GHz带宽内实现了THz波的强度调制,调制深度超过90%。图4.19(c)显示了1.1 THz处THz波传输的电场分布,其在无外加激励和强激励状态下具有明显的开关特性。而对于横模来说,InSb载流子浓度的增加对它的电场分布影响不大,但由于InSb表现出较强的金属性,从而缩小了横模谐振的空间,使得谐振频率增大,实现了禁带频率的蓝移。(www.xing528.com)

图4.19　器件调制机制示意图[6]

(a)无外加激励时的器件模型;(b)外加激励下的器件模型;(c)器件在不同频率和工作状态下的THz波传输的电场分布,其中①1.1 THz无外加激励,②1.1 THz外加激励,③1.38 THz无外加激励,④1.38 THz外加激励

本节研究了一种十字形MSSPW调制器在THz波段的传输性质和调制特性。当InSb的载流子浓度增加时,纵模逐渐消失,横模向高频移动。对于该器件,当其槽深度为60μm、PPWG空气间隙宽度为30μm时,在0.5 THz和1.1 THz处可实现60 GHz带宽的强度调制,调制深度超过90%;在1.325~1.38 THz内可具有60 GHz带宽的可调谐滤波功能。