光学太赫兹辐射源衬底材料的选择

传统的低温生长GaAs材料制作的光混频器的光混频区域很小,只有50~100μm2,这样使得泵浦功率只能是50~100 mW,当泵浦功率进一步提高时,将会导致器件的损伤。因此,输出太赫兹辐射的功率在1μW量级[14]。目前,在光混频器中较常使用的材料有GaAs、InGaAs、InGaAs和InAlAs交替层以及其他的ⅢⅥ半导体材料。

传统光混频器件的热损伤阈值是由衬底材料Ga As的导热性能决定的。基于低温生长GaAs光混频器,当光混频区域和衬底材料的相对温度超过100 K时,就会导致热损伤,而光混频区域的绝对温度并不是引起热损伤的最根本原因。因此通过改变衬底材料能够提高光混频前进的热损伤极限。已有报道使用硅作为衬底材料的光混频器,可以承受更高的泵浦光功率,获得比GaAs衬底材料的光混频器高两倍的输出功率;通过减小低温生长GaAs薄膜的厚度,并在衬底材料和低温生长GaAs材料之间生长一层热传导性能比GaAs高两倍以上的Al As层,能够显著提高输出功率[15]。

离子注入GaAs薄膜中会产生极大的晶格缺陷。2007年,马克斯-普朗克射电天文学研究所的I.Cámara Mayorga等[16]将O离子和N离子注入连续光混频,获得了较好的结果。离子注入的优势在于有可能精确控制离子注入的能量,以此来获得期望的性能,从而可以获得高可复写的光电材料。2006年,M.Mikulics等[17]基于N离子注入的GaAs材料,通过行波光电混频器和蝴蝶天线已经能够在850 GHz处测量到2.6μW的太赫兹辐射,天线结构如图6-9所示。

图6-9　N离子注入天线结构[17]

GaAs中Er As包层的增长导致了纳米级Er As“孤岛”的自发形成[18],因为在Er As层分化成1~2 nm直径的独立纳米粒子。Er As岛的准金属行为导致亚皮秒载流子复合时间,使其适用于光混频材料。2000年,Kadow[18]报道的Er As∶GaAs光混频器已经获得复合时间为120 fs和击穿电压为200 k V/cm。2004年,加利福尼亚大学的J.E.Bjarnason等[19]报道了基于Er A∶GaAs的光混频器,太赫兹辐射的频率调谐范围是20 GHz~2 THz,在90 GHz附近获得最大的输出功率12μW。2007年,美国安科公司的Joseph R.Demers等[20]使用Er As∶GaAs光混频器研制了太赫兹频域光谱仪。调谐范围是200 GHz~1.85 THz,输出功率在100 GHz为10~20μW,在1 THz为2μW。系统装置如图6-10所示。

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图6-10　基于光混频器的太赫兹频域光谱仪装置图[20]

基于InGaAs的光混频器能够使用1.5μm波段的激光器作为泵浦源。InGaAs(In0.53Ga0.47As)通常生长在InP基底上,该化合物的带隙为0.74e(1.68μm),可以利用电信波段的激光器作为泵浦源。InGa As基器件产生连续太赫兹辐射要运用光电二极管。在GaAs衬底上运用的方法也能够应用在InGaAs上,其中包括低温生长、离子注入方式以及Er As∶InGaAs纳米复合方式,这些方法都将功率限制在亚μW量级。p i n二极管发射功率要比光导开关发射功率大几个量级。InGaAs基p i n二极管器件结构不是平面结构,通常是由在外延层生长p i n层上刻蚀台面结构组成的。光电子和空穴在(或接近)本征层产生,各自传送到n-和p-型掺杂层。2011年,德国Fraunhofer HHI的Dennis Stanze等[21]使用集成二极管天线作为太赫兹发射器,如图6-11所示,在500 GHz处获得输出功率5μW。该发射器的偏置电压为2.5 V,比光电导的偏置电压低20%以上。

图6-11　集成波导光电二极管示意[21]

在过去的20多年间,光混频太赫兹辐射源得到了极大的发展,钛蓝宝石推动了实验设备的发展,二极管激光器和光纤激光器的发展为使用者提供了更简单的操作流程和更灵活的处理方式。GaAs和InGaAs/InP材料各有其优点。随着材料生长技术的不断发展,如Er As∶GaAs纳米复合材料或离子注入GaAs材料,可以获得具有极短载流子寿命(约0.1 ps)的复合GaAs光混频器。InGaAs的p i n二极管在绝对输出功率方面处于领先地位。单向行波二极管在0.1 THz时能够输出毫瓦量级,在1 THz时输出几十μW量级,其数量级比GaAs光混频器高1~2个数量级。InGaAs材料也可以利用高度集成、技术成熟的1.5μm激光器。