如何优化器件的可调谐性？

图9.12　

(a)30 V偏置电压下,温度在30～80 K变化时器件的输出功率谱;(b)40 K温度下,偏置电压在20～50 V变化时器件的输出功率谱[17]

图9.13　传输模式的频率f 0、增益倍率G与温度T、电压V、器件单元周期尺寸p和器件周期个数N之间的关系曲线[17]

(a)V=30 V,p=20μm,N=25;(b)T=40 K,p=20μm,N=25;(c)V=30 V,T=40 K,N=25;(d)V=30 V,T=40 K,p=20μm

通过调节偏置电压或者温度,可以实现对σg及n g的有效调控。其中,n g影响器件的带隙结构及带边模式的频率位置,而σg则直接决定了石墨烯的增益倍率,进而影响了器件的放大效率。因此,对器件结构进行优化并选择合适的外部条件可以进一步改善器件的性能,进而获得较高的增益倍率及较大的可调谐带宽。图9.12(a)所示为30 V偏置电压下,温度在30~80 K变化时器件的输出功率谱。为了方便比较,利用式(9.7)将各条谱线的增益倍率用dB表示,并计算增益倍率G和传输模式的频率f 0与温度T的关系曲线,如图9.13(a)所示。随着温度的增加,可以发现传输模式的频率发生蓝移,这是n g增大所导致的。在温度小于60 K时,增益倍率几乎不随温度变化,而当温度大于60 K之后则迅速下降。通过观察图9.10(c)可以发现,在温度上升的过程中,σg负值区域的实部一直处于单调上升状态。由此可知,器件的放大效率不只取决于增益介质的增益倍率,还会受到器件的带隙结构及传输模式的频率位置的影响。图9.13(a)中红色虚线所标示处的增益倍率G=25 dB,对应的传输模式的频率f 0=1.55 THz,温度T=73.1 K。当温度小于73.1 K时,增益倍率变化不大且始终大于25 dB。因此,当温度小于73.1 K时,器件可以在1.35~1.55 THz获得非常好的放大效果,并实现了可调谐带宽输出的功能。(www.xing528.com)

温度为40 K下,偏置电压在20~50 V变化时器件的输出结果如图9.12(b)和图9.13(b)所示。随着偏置电压的增加,传输模式的频率呈线性蓝移,而增益倍率则先增大后减小。当偏置电压在22.5~48.2 V变化时,增益倍率始终大于25 dB,此时传输模式的频率处于1.27~1.6 THz。当偏置电压取35 V时,输出功率达到最大值,对应的增益倍率为31 dB,带宽为2 GHz,Q值高达720。综合图9.13(a)和图9.13(b),可知器件的传输模式可以在1.3~1.7 THz调节,其增益倍率始终大于18 dB,最高可达到31 dB。传输模式的频率与偏置电压和温度均呈正相关,而增益倍率则需要平衡温度、偏置电压及传输模式的频率来取得最大值。

除外部因素的作用之外,器件本身的结构参数也将影响其放大效果。图9.13(c)所示为30 V、40 K条件下,传输模式的频率f 0和增益倍率G与器件单元周期尺寸p的关系曲线。随着p的增大,f 0和G都线性减小。很明显地,随着Si-石墨烯等离子体阵列结构形成的谐振腔尺寸增大,谐振频率将发生红移,而THz波与石墨烯的相互作用强度也将减弱。图9.13(d)则表明,当器件周期个数N足够大时,f 0不受N变化的影响,而G则随着N的增加而增大。这是由于改变器件的周期个数并不会影响其带隙结构,因此f 0并不随之改变,而增大器件的周期个数相当于增加了石墨烯与THz波的有效作用距离,因此G将会增大。然而G随N增大的过程却并非线性,而是类似于对数线型,这和普通的无反馈级联放大系统不同。对于后者,增益倍率G和器件周期个数N将呈线性正相关,可以通过公式G=exp(g Nl)推导得出,其中g和l分别为增益介质的增益系数和单层增益介质的厚度。而这里所提出的器件并不依靠增益介质的简单堆加,主要依赖于Si-石墨烯等离子体阵列带边模式的慢光效应。随着N的增加,整个器件的带隙结构逐渐具有完美周期性,带边模式的群速度则更趋近于零。在此过程中,慢光效应对增益倍率的贡献将逐渐趋于饱和,G也逐渐达到一个稳定值。

综合上述分析,在器件的性能优化方面可以得出以下结论。首先,为了增大器件的增益倍率,应使得器件单元周期尺寸尽量小,但同时会使得传输模式的频率发生蓝移。而且如果器件单元周期尺寸过小,还将产生许多更高级次的振荡,最终影响器件输出THz波的信噪比。其次,另一种增大器件的增益倍率的方法是增加器件周期个数,这样做的优点是不会改变传输模式的频率,并且在器件周期个数较小时的放大效果非常显著。然而当器件周期个数足够大时,继续增加将无法有效地增大器件的增益倍率。因此,器件周期个数应该综合考虑其增益倍率和制备成本。在带隙结构确定之后,器件可以通过两种手段来进行调控。当温度低于60 K时,增益倍率几乎不随温度的变化而改变,因此利用温度调控的手段可以在1.35~1.55 THz实现30 dB左右的稳定放大输出,在这一点上温度调控优于电压调控。然而在实际操作中,电压调控的方式要比温度调控更加简单和灵活。

下面将讨论器件的损耗机制,其主要分为两个方面：材料损耗和结构损耗。高阻硅在THz波段的吸收损耗非常小,在1.5 THz处的吸收系数仅为6.28×105μm-1,因此在这里可以忽略其吸收对器件的影响。石墨烯在器件中起到增益介质的作用,放大效果大于损耗。因此,该器件的主要损耗来自结构损耗。一方面,自由空间的THz波进入器件时将在器件和空气的界面处发生反射,这部分反射损耗应该被归入结构损耗,虽然该损耗与器件巨大的放大效果相比微不足道。另一方面,THz波在器件内部各个界面处的反射不能算作损耗,因为这些反射波并没有溢出器件之外,而是在器件内部反复振荡。正是这种反复振荡的过程极大地增加了THz波与增益介质之间的有效作用距离,从而提高了器件的放大效果并完成了模式选择。因此,这种内部反射是该器件的主要工作机制,而非其损耗。从器件的放大效果和传输模式的带宽来看,该器件具有构建激光器的潜力。如果能将具有自发辐射机制的THz辐射源,例如超短激光泵浦石墨烯构成的THz辐射源,合理地引入该器件中,就可以组合成一套简单的THz激光器系统。

虽然存在来自加工工艺和成本等多方面的原因,本节所提出的THz放大器没有实际加工完成,但这里仍将对其合理的加工流程进行讨论。首先,单层石墨烯可以通过化学气相沉积法来进行生长,生长所使用的基底一般为金属基底,要求生长面积大于0.5 cm2。其次,使用高密度聚乙烯基底将石墨烯转移到20μm厚的硅基底上,并用湿法刻蚀的工艺去除金属基底,这里需要测量其拉曼光谱来监督石墨烯的生长质量。再次,通过金属蒸镀、光刻、剥离等工艺将铜环电极制作在石墨烯上,这样就制成了一个完整的器件周期。最后,在其上键合另一个硅基底,并重复上述制作过程,直到获得所需要的周期数量。

前三节首先对石墨烯材料的性质、制备进行了介绍,在此基础上,重点介绍了两种可主动调控的THz功能器件。对于THz定向发射器,通过控制器件的外加电压,实现了对SiO2-石墨烯栅格结构表面模式的有效调节,进而利用表面模式和泄漏模式之间的耦合和解耦合对泄漏模式的出射方位角实现了主动调控。这一新的THz定向发射装置可以实现大角度、高光束质量的THz波束扫描,并为之后的定向发射器件设计提供了新的思路。对于THz放大器,利用石墨烯在低温和特定费米能级下的集居数反转特性,实现了Si-石墨烯等离子体阵列器件的THz波放大功能。其色散关系曲线显示,这种阵列结构所产生的带边模式具有极低的群速度,可以极大地增强THz波与石墨烯之间的相互作用强度,进而有效地解决了石墨烯厚度太薄导致的低增益倍率这一瓶颈问题。