[发明专利]磁表面等离子体波导太赫兹隔离器

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种太赫兹波可调隔离器及其控制方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²THz)波是指频率在0.1-10THz(对应的波长为3mm～30μm)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，THz波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。然而由于长期以来在THz波段缺乏低损耗、宽带单向传输器件，如隔离器、环形器等，THz应用系统中元件的反射回波和散射噪声严重地限制了系统的性能。

隔离器是一种二端口非互易磁光器件，可实现端口1输入、端口2输出，而禁止端口2输入、端口1输出的单向传输功能，是在可见与近红外波段激光与光通信领域常见的光电器件。隔离器的性能主要由两个方面来决定：一是正向传输时的透过率T_for，高的正向透过率带来低的插入损耗；二是反向波的透过率T_back与正向波透过率之比，即隔离度，表示为Iso＝-10log(T_back/T_for)，反向波越小、正向波越大，隔离度越大，器件的单向传输能力越强。

由于在THz波段具有旋磁或旋电响应的非互易材料十分有限，THz单向传输器件在过去鲜有报道，直到最近，一些THz波非互易传输机制和器件的研究才有初步进展。Fan等提出了基于铁氧体旋磁材料的THz光子晶体可调谐环形器[F.Fan，et al.Opt.Commun.2012，285：3763-3769]，尽管该环形器的隔离度达65dB，但此类器件需要在很大的外磁场(大于7T，1特斯拉＝10⁴高斯)下工作，且工作频率低、带宽窄。Hu等提出了使用半导体旋电材料构成金属-绝缘体-半导体(MIS)结构实现THz波的单向传输，该器件使用的半导体材料所需的磁场约为1T[B.Hu，et al.Opt.Lett.2012，37，1895-1897]。然而由于MIS结构较为简单，其诱导产生的磁表面等离子模式的单向传输能力很弱，使得该类器件的传输透过率低于60％，隔离度低于30dB。因此，现有THz单向传输器件还很难满足实际应用系统的需要。

由于高电子迁移率半导体如InSb、HgTe、石墨烯等的回旋频率位于THz波段，这种机制的器件工作所需的外磁场较小(低温下小于1T)，因此可作为THz隔离器的工作介质。在近红外波段的大量理论研究表面，除了材料旋磁或旋电性的强弱，器件的结构同样决定着单向传输波导的非互易性。因此需要从材料和器件结构两个方面出发提高THz隔离器的性能：一方面选取合适的高电子迁移率半导体材料，研究其在THz波段的旋电性质，确定适当的工作温度和磁场强度；另一方面通过合理地设计光子晶体、光子微腔、表面等离子体波导的结构以增强器件的单向传输性能。

发明内容

针对现有太赫兹隔离器存在的问题，本发明的目的在于提供一种高隔离度磁场可调控的太赫兹隔离器及其控制方法。

本发明的技术方案为：由金属壁与半导体柱线阵列之间的空气间隙构成表面等离子体波导，波导一侧为金属反射边界、另一侧为半导体柱与空气交替组合的散射边界，该波导结构具有非对称性和周期性。通过在低温下施加一定大小的外磁场，高电子迁移率半导体材料锑化铟将在THz波段表现出旋电性质并诱导产生磁表面等离子体模式，其在非对称性波导结构中具有单向传输特性。又通过半导体柱线阵列的设计引入周期性结构和强散射机制，使得该器件具有特有的光子带隙特性和模式选择特性，大大增强了波导的单向传输性能。本发明将半导体在THz波段的磁光效应、表面等离子体激元效应与器件结构的非对称性、周期性结合起来实现一种新型的高效可调控太赫兹隔离器。

磁表面等离子体波导太赫兹隔离器包括：金属壁、半导体柱阵列、表面等离子体波导、半导体衬底、正向输入端、反向输入端和外磁场，其中表面等离子体波导由金属壁与半导体柱线阵列的间隙构成，THz波沿此波导传输。金属壁使用的材料是铜、铝、银、金等高电导率金属材料，半导体柱阵列和半导体衬底采用高电子迁移率半导体材料——非掺杂锑化铟。该器件制作方法为在锑化铟晶圆上使用离子束深度蚀刻工艺成型一列正方形锑化铟柱和一个台阶，再采用掩膜和溅射镀膜工艺将台阶及其侧壁镀上厚度大于100nm金属膜，从而形成金属壁。半导体柱高大于100μm，柱宽60μm，相邻柱中心间距为100μm，柱边沿与金属壁间距50μm，柱数量不少于15个。