基于光耦合增强的太赫兹量子阱探测器材料和器件研究

发布时间：2021-01-04 04:13

　　太赫兹波是指频率在0.1-10 THz,对应的波长为3000-30mm的电磁波。该波段相比于与微波、毫米波具有更高的空间与时间分辨率;相比于红外波段,太赫兹波具有更高的穿透性,并且具有更宽的视场搜索范围。随着太赫兹源如太赫兹量子级联激光器等的快速发展和技术突破,作为太赫兹技术重要组成部分的太赫兹探测技术因缺乏足够研究手段而使得太赫兹技术的发展应用一直受到限制。目前应用较为普遍的太赫兹探测器有高莱管、硅测热辐射计、肖特基二极管直接探测等,然而因使用条件的限制以及探测性能的不足,如高莱管的响应时间慢,硅测热辐射计限于宽谱测量,肖特基二极管噪声等效功率高等,使得太赫兹探测技术一直难以得到突破,尤其在军事应用等对探测器性能有严格要求的领域难以实现应用。而基于固态半导体GaAs/AlGaAs体系太赫兹量子阱探测器的研究给太赫兹探测技术的突破带来新的途径,该类型探测器响应时间可到亚皮秒级,拥有高响应速度、高分辨率、工艺成熟、性能稳定以及易于集成等优点,尤其适合太赫兹波段的高速探测和成像应用。太赫兹量子阱探测器是满足发展太赫兹技术应用的核心,可为太赫兹成像和太赫兹通讯的发展提供必要的基础支撑,尤其在... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市

【文章页数】：116 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

太赫兹辐射的多种应用

基于光耦合增强的太赫兹量子阱探测器材料和器件研究对于低能量的太赫兹波段一般需要在液氦环境下才能排除背景辐射的干扰。2、高莱管（Golay Cell）高莱管的探测基于辐射热导致气体膨胀来制作的辐射功率计。为了更好的理解高莱管探测原理，对其探测过程简述如下：如图 1.3(b)所示，当太赫兹光进入该器件被窗口的辐射吸收膜吸收后，能量随即传递到与之相连的封闭气室改变其中气体的温度，此时该气室中的压力也随之升高, 在内外压差的作用下推动与气室相连的反射镜偏转，而该偏转量可通过光学检测反射镜的进行测量，转动的偏转量越大则太赫兹辐射功率越大，因此该探测器测量前需要对标准样品进行定标该探测器的优点是可在室温下进行探测，缺点是响应时间长，对光谱频率无法辨别。

段的探测最高频率为 5 THz，其等效噪声温度约为量子极限的 10 倍左右，具体性能如表 1.1 所示。超导 HEB 混频器是由超导微桥和射频耦合电路构成，它是利用热辐射效应来实现太赫兹波探测的，如图 1.4 所示，它的工作原理为：射频耦合电路通过阻抗匹配将自由空间中的电磁波耦合到中间的超导微桥（微桥通常有铌（Nb）和氮化铌（NbN）两种），电子吸收太赫兹辐射后温度升高，形成热电子，然后通过电子-声子相互作用使得声子温度升高，最后能量传到介质基板中重新恢复到平衡态，通过探测两个电极之间热量的变化来实现太赫兹探测。它是目前探测频率在 1 - 6 THz 范围内灵敏度最高的探测器，但是这种结构的尺寸较大，通常工作于低温环境（< 7 K）以降低探测器的弛豫时间，从而获得较宽的测量带宽，另外中频带宽与超导微桥的长度的平方成反比，因此为了保证与天线结构的匹配，在缩短微桥长度的同时，其宽度也要成比例的减小，因此对桥结构加工的精度要求很高[34, 35]。


本文编号：2956129