上海理工大学在超宽频太赫兹吸收器件研究上取得进展

近日，太赫兹科学协同创新中心协同单位——上海理工大学的光电信息与计算机工程学院下属超快光电子与太赫兹实验室臧小飞副教授、朱亦鸣教授在庄松林院士的指导下，利用重掺杂硅制备实现超宽频太赫兹吸收器的研究取得重要进展。该研究工作的题目为“Ultra-broadband terahertz absorption by exciting the orthogonal diffraction in dumbbell-shaped gratings”的论文，于2015年3月10日发表在Nature Group的新刊物Scientific Reports上(Sci. Rep. 5, 8901 (2015)).

太赫兹波的位置处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区；其频率在0.1～10THz(THz=1012Hz)之间，由于太赫兹波有高效的背景发射噪声抑制功能，很好的时间和空间相干性，超低的光子能量（4meV）以及超强的穿透能力，使得太赫兹科学技术在生物医药检测、安检、光谱测量、空间通讯、成像等领域具有重要的应用。目前，太赫兹科学正成为光学和电子学领域的一个研究热点，而制约太赫兹应用的主要瓶颈包括源、探测器、滤波器、吸收器等。其中，太赫兹吸收器在太赫兹成像、探测、传感、通讯、太赫兹波调制等方面均有重要应用。尽管基于超材料结构的太赫兹吸收器有了广泛的研究，由于其受限于金属共振特性，使得此类结构的太赫兹吸收器只能局限于单频或者多频点的吸收。如何实现宽频太赫兹吸收器仍然是一大挑战。

图1(a, b) THz超宽频吸收器结构。(c)基本原理。(d, e)TE, TM入射THz波的吸收率。

考虑到金属共振结构的限制，我们另辟蹊径在重掺杂硅的表面刻蚀周期性相互垂直的哑铃型共振条状结构，其基本结构如图1 (a, b) 所示。其基本原理如图1(c)所示：在低频段区间(λ>P，λ为波长，P为周期) 该结构形成的等效介质并诱导相干吸收(反反射效应)。而在高频段区间，(λ<P)此时太赫兹波的吸收主要由此类周期性结构产生的光栅衍射导致的吸收。由于设计的是一对相互垂直的哑铃型共振条状周期性结构，对于入射TE偏振(或者TM偏振)的太赫兹波，它们分别能在x- (或者y-两个方向上)“看到”两种长度不等的空气型波导。它们分别对应于[±1, 0]和[0， ±1]阶光栅衍射。通过设计相应的掺杂浓度，并调节周期性结构的尺寸，将消相干频率和[±1，0]和[0，±1]阶光栅衍射频率进一步优化，使得它们相互联合形成一个吸收率超过95%，吸收频宽为1.6THz的超宽带太赫兹吸收器(如图1 (d, e))。

该工作得到了国家973计划，国家重大科学仪器专项，国家自然基金的资助。

来源：上海理工大学光电信息与计算机工程学院超快光电子与太赫兹实验室