基于半导体光子学器件的太赫兹成像技术研究进展

太赫兹(THz)成像是THz技术应用的重要方向之一。基于THz量子级联激光器(QCL)和THz量子阱探测器(QWP)等半导体光子学器件的THz成像系统具有结构紧凑、空间分辨率高、成像信噪比较高等优点,已成为当前研究的热点领域。对国内外关于THz QCL和THz QWP器件在远场和近场成像应用方面的研究进行了系统综述,分析了THz成像系统的构成和成像效果,总结了各THz成像系统的性能参数情况,并探讨了THz成像系统性能提升的途径及其应用前景。

基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展

太赫兹(THz)波对非极性材料有较好的穿透性,对生物医学组织无电离效应,因而非常适合无损检测、生物医学成像等应用。THz量子阱光电探测器(THz QWPs)具有响应速度快、响应率高、噪声等效功率低、体积小的特点。相较于其他探测器,THz QWPs作为成像系统接收器时,系统具有成像分辨率高、成像速度快、成像信噪比高、结构紧凑等优势。本文综述了基于THz QWPs的成像研究进展,并对成像系统核心指标的影响因素进行了分析和总结。采用更稳定的装置固定THz QWPs,提升器件响应速度、探测灵敏度、阵列规模,可以有效提升系统各项核心性能。

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。

太赫兹量子器件及其成像实验研究

本文简要介绍了工作于太赫兹(THz)波段的量子级联激光器、量子阱探测器的研究进展,主要介绍了器件在THz成像方面的实验研究,包括被动成像技术和扫描透射成像技术,其中扫描透射成像的最佳分辨率为0.5 mm。

基于单层二硫化钨光控太赫兹调制器的研究

在太赫兹技术的应用中,控制太赫兹波的传输非常重要,太赫兹调制器被认为是下一代太赫兹无线通信中的重要器件.成功地研究了一种硅上生长单层二硫化钨的新型光泵浦太赫兹调制器,由于在硅衬底和二硫化钨的交界处出会形成异质结,二硫化钨充当着催化剂的作用,在光泵浦的作用下,在异质结处催化出更多的载流子,因此实现了更大的调制深度.结果表明,在泵浦光波长为660 nm、功率仅为117 mW时,该调制器的调制深度达到了63.6%.这种新型二维过渡金属硫化物对太赫兹波的调制有着更高的效率,使其在太赫兹技术中有很好的应用前景.

太赫兹频率上转换成像器件研究

太赫兹成像器件是太赫兹技术应用的关键之一.研制一种由分子束外延技术堆叠生长太赫兹量子阱探测器和近红外发光二极管制成的THz频率上转换成像器件,其45°入射角耦合器件峰值探测频率为5. 2 THz,峰值响应率为0. 22 A/W,噪声等效功率为5. 2×1012W/Hz0. 5,可实现对太赫兹量子级联激光器光斑的清晰成像;研制的金属光栅耦合器件可实现正入射成像,有效减小成像图形畸变,并且有利于制备大面积器件.阐述器件的工作原理、制备方法、基本性能和成像性能,并对器件电流-电压特性、成像质量、成像畸变原因等问题进行讨论.该器件利用无像素成像技术,无需低温读数电路,无需阵列倒装封装,为THz成像技术提供一种简便、高性能的途径.

二氧化钒材料相变的太赫兹光谱与阵列成像

二氧化钒是一种具有绝缘态到金属态可逆相变特性的材料,在光器件及信息技术中有非常广泛的应用。分别采用太赫兹频段的光谱测量技术和阵列成像技术研究分析了硅基二氧化钒材料的相变过程。采用傅里叶变换光谱测量系统,获得了整个样品在2.5~20.0 THz频段透射谱和反射谱随温度的变化,分析得到了硅基二氧化钒材料相变的温度范围为334~341 K,对应温差为7 K;得到了相变前后样品对4.3 THz辐射的透过率变化达40%以上,反射率变化接近30%。随后采用一套4.3 THz的阵列成像系统,测量了整个样品在相变前后的太赫兹图像,获得了该材料由金属态转变为绝缘态时,其对4.3 THz激光信号的透过率由6.7%升至50.7%,透过率变化达44%,与傅里叶变换光谱在4.3 THz处的测量结果相当。上述研究结果为硅基二氧化钒材料用于2.5 THz以上电磁辐射的透射调制和反射调制提供了很好的实验数据支撑。

基于源偶极子的扫描近场光学显微镜的数值模拟

红外和太赫兹范围内的扫描近场光学显微镜能够突破衍射极限,实现更小的空间分辨率,在纳米尺度结构的光学特性分析检测方面具有重要应用。为了进一步理解探针与样品的相互作用,对探针近场的分析和数值描述是必不可少的。基于真实的探针形状的解析模型,结合数值模拟的开发了源偶极子模型(SDM),能够直接获得近场检测信息,提高计算效率。基于模拟结果,解释了天线效应、尖端半径影响和电荷量的影响,并将SDM模型结果与全波仿真(FWS)结果进行了比较。为进一步理解近场光学显微镜中的针尖-样品结提供了新的视角。

基于GaAs工艺的片上宽带功率分配器

提出了一种基于砷化镓—集成无源器件(GaAs-IPD)工艺的宽带3dB功率分配器。使用多节级联以及集总参数等效的方法,实现了宽带小型化设计;使用RC串联隔离网络实现宽带内的高隔离性能。对提出的功分器进行了理论分析,并以20GHz为中心频率完成设计,电路尺寸为0.04λ0×0.053λ0,λ0为中心频率处的自由空间波长。经过测试,其相对工作带宽为80%,带内插损0.7dB,端口隔离高于20dB。测试结果与仿真结果保持了良好的一致性。

太赫兹检测技术

太赫兹(terahertz,简称THz)检测技术是THz技术应用的一个关键环节,它涉及物理学、材料科学、半导体技术、光电子学和超导电子学,是一门综合性很强的技术。文章介绍了一些比较典型的THz检测技术的原理及其应用,特别是国内学者在这方面的工作。

基于THz QCL和THz QWP的数字通信演示系统

随着无线通信速率需求的增加和材料生长、器件工艺制作水平的提高,太赫兹(THz)通信已成为未来高速无线通信系统发展的一个重要方向。介绍了太赫兹通信的特点以及国际上太赫兹通信系统的发展现状,并报导了一种利用太赫兹量子级联激光器(THz QCL)作为发射源,太赫兹量子阱探测器(THz QWP)作为接收器的太赫兹数字通信演示系统。该系统采用On-Off-Key(OOK)调制和直接强度检测方式,通信频点为3.9 THz,通信距离为2.2 m,传输速率可达1 Mbps以上。最后探讨了该系统的带宽限制因素及其在通信速率方面的潜力。

基于太赫兹半导体量子阱器件的光电表征技术及应用

光电表征技术是太赫兹应用技术的重要基础,涵盖了太赫兹频段光电器件表征、光谱测量、光束改善以及通信和成像应用等多个方面,在太赫兹应用领域中发挥着重要作用。介绍了太赫兹频段两种半导体量子器件的工作原理和最新进展,综述了二者在太赫兹脉冲功率测量、探测器响应率标定等光电表征技术中的应用及其在太赫兹快速调制与探测、太赫兹扫描成像系统中的应用,最后介绍了太赫兹光电表征技术的改善,包括激光源光束质量改善和探测器有效探测面积的提高方法等,并给出了器件及表征技术的潜在应用。

太赫兹功能器件表面增透膜研究进展

工作于太赫兹波段的功能器件常以硅、锗等高折射率材料为界面,这会导致界面与空气的阻抗失配,从而引起不必要的光能损失.在界面镀制增透膜可以有效减小反射率、增加透射率,从而大大提高器件性能,因此增透膜的研制具有重要意义.基于上述的应用需求,首先介绍太赫兹增透膜的研究意义,然后着重介绍目前国内外制备太赫兹增透膜的几种常见方法,并分析各自的优缺点,最后对太赫兹增透膜的研究进行总结和展望.

高宝线研究进展

高宝线是一种涂覆介质的单金属传输线,主要应用于高频电磁波的传输与传感领域。结合超材料技术制作出的平面高宝线能够在微波与太赫兹波频段高效激发伪表面等离子体激元,具有高效传输与高灵敏传感特性。介绍了近些年来国内外高宝线的研究进展,综合概述其主要结构的设计方法,分析其测试与仿真结果,并且简要介绍了高宝线的未来发展趋势以及潜在应用。

太赫兹量子阱探测器研究

太赫兹量子阱探测器(THz QWP)是一种工作于太赫兹频段的光子型探测器。本文回顾了THz QWP近几年在以下方面取得的主要进展:1)通过考虑多体效应,解决了THz QWP峰值响应频率精确设计及多量子阱能带结构的优化;采用自洽发射-俘获模型,研究了THz QWP电子输运问题。2)提出三种基于金属光栅的THz QWP光耦合器,这些耦合器能有效改变入射光场的极化方向,使之符合量子阱子带跃迁选择定则,并使光场在多量子阱吸收区局域增强,提高耦合效率,从而提高THz QWP的探测灵敏度。3)在THz QWP中,发现纵光学(LO)声子频率处反常光响应峰,采用LO声子辅助光场局域增强模型解释了这一反常响应峰的起源。

太赫兹量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1~5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦THz辐射源,具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。

太赫兹V-形错位超表面异常折射振幅调控研究

提出了每个超晶胞由8个不同V-形天线组成的双周期超晶胞错位超表面结构,并从理论和实验上研究了其特性。计算表明,当横电光垂直入射时,会得到共偏振透射和交叉偏振异常折射。通过调节两个超晶胞周期单元的横向错开距离,可改变异常折射的相位差,调控其振幅。实验结果表明,当4.3 THz的光垂直入射到两个超晶胞周期单元横向错开距离为0,2,4,6个V-形单元的样品上时,异常折射光强分别为入射光强的3.6%,1.7%,0.7%,1.9%,与计算结果一致。

基于太赫兹量子级联激光器的生物医学成像研究进展

太赫兹(THz)波对生物医学组织具有天然的非电离性、水含量敏感性和浅层穿透性等特点,这使得其非常适合应用于生物医学成像。由于太赫兹量子级联激光器(THz QCL)具有激射功率高、光束质量好、调制速率高、体积小的特点,基于THz QCL的生物医学成像系统相较于其他主动式生物医学成像系统成像信噪比高、成像分辨率高、成像速度快、结构更紧凑。基于此,对基于THz QCL的生物医学成像研究进展进行综述,并对THz生物成像优势、THz QCL生物医学成像优势、生物医学成像系统、生物医学成像目标进行了总结,对其未来发展方向进行了展望。

低温InGaAs/InAlAs多量子阱的分子束外延生长与表征

采用气源分子束外延(GSMBE)生长了低温InGaAs材料,研究了生长温度及As压对InGaAs材料性质的影响,得到优化的生长条件为:生长温度为300℃、As压为77.3kPa。通过Be掺杂,并采用In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As多量子阱结构,将材料的方块电阻提高到1.632×106Ω/Sq,载流子数密度降低至1.058×1014 cm-3。X射线衍射结果表明:InGaAs多量子阱材料具有较高的晶体质量。这种Be掺杂InGaAs多量子阱材料缺陷密度大且电阻率高,是制作太赫兹光电导天线较理想的基质材料。

基于太赫兹量子级联激光器的反射式快速扫描成像

以太赫兹(THz)量子级联激光器为光源、低温热辐射计为信号接收端,采用可旋转和平移的二维扫描平台搭建反射式快速扫描成像系统。通过计算机控制扫描平台进行连续的旋转与平移运动,实时获取探测信号强度和样品位置信息,成功实现对直径为80mm圆形区域的快速扫描成像,扫描时间为5s,图像的平均空间分辨率约为1mm,系统成像时间大幅缩短。此外,成像装置中基于THz分束片的共光路设计,可有效减少系统光路元件,进一步缩小成像系统的体积。