[发明专利]太赫兹调制器

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹频率域的有源部件。更具体而言，本发明涉及用于太赫兹辐射的调制器。

背景技术

太赫兹域通常由具有0.1到30THz之间的频率的辐射限定。该频带覆盖了电子领域和光子领域。太赫兹域中的器件遭遇到了固有操作限制：工作频率对于基于电子的部件而言太高，并且对于光子而言能量太低而难以有效工作。虽然如此，但是这个频域具有很大的应用潜力，例如在通常分配用于电信的频率范围趋于饱和的电信领域。特别是在美国，上升至0.3THz的频率范围的分配已经饱和。这种应用潜力是鼓励发展允许利用太赫兹辐射的部件，特别是调制器。

在太赫兹调制器领域，已知的是一种基于通过亚波长孔的光栅的谐振传播的装置，其由锑化铟(InSb)晶体构成。这种装置描述在例如Janke等的“All-optical switching of the transmission electromagnetic radiation through sub-wavelength apertures”(Optics Letters Vol.30,No.18,pages 2357-2359,2005)中。在这篇文献中，公开了通过光学激励该结构，由于太赫兹辐射和晶体表面处的表面极化等离子体激光之间的耦合导致的谐振传输怎样能够被控制在大约0.5THz。然而，正如这个文献所示出的结果，这种控制是有限的，包括在较低的温度下。另外，在环境温度下，已知该传输被限制为最大传输的0.2％。

本发明的一个目的包括提供一种太赫兹调制器，其尤其能够在环境温度下更有效地运行。

发明内容

依照第一方面，本发明涉及种用于给定使用频带的太赫兹调制器，包括：

-半导体极性晶体(10)，其具有覆盖所述使用频带的剩余射线波段，并且具有与电介质媒介的至少一个界面；

-耦合装置，其允许由所述界面支撑的界面声子极化激元(IPhP)与在所述使用频带中的频率的入射辐射(2)的谐振耦合；以及

-控制装置(20)，其通过修改所述极性晶体(10)的剩余射线波段中的所述极性晶体(10)的电介质函数，而倾向于修改所述界面声子极化激元和所述入射辐射极化激元之间的耦合强度。

因此，在该晶体的所谓剩余射线频带中的极性晶体的电介质函数的谐振效应被用于生成运行在环境温度下的显著效率的太赫兹调制器。所述调制器能够以反射方式运行，所述界面声子极化激元和所述入射辐射之间的耦合强度的变化导致所述部件在入射波的波长下的反射率的变化，或者根据所述部件的实施方式所述调制器以透射方式运行。

有利地，所述极性晶体具有与电介质媒介的两个界面，所述界面足够接近，以允许沿着每个所述界面传播的界面声子极化激元的耦合。两个界面声子极化激元模式的耦合使得电磁场的限制进一步明显，而且通过利用控制装置使得耦合的变化更敏感而显著地改善所述调制器的效率。

典型地，所述两个界面之间的距离可以小于一百纳米。

根据示例，所述半导体极性晶体是Ⅲ-Ⅴ族半导体，例如砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等。根据另一示例，所述半导体极性晶体是Ⅱ-VI族半导体，例如硒化锌(ZnSe)、碲化汞(HgTe)、碲化镉(CdTe)等，或者Ⅰ-Ⅶ族半导体，例如氯化钠(NaCl)、溴化钾(KBr)等。根据另一示例，所述半导体极性晶体是Ⅳ-Ⅳ族半导体，例如碳化硅(SiC)。另外，也可以采用三元合金(具有三种元素，例如AlGaAs)、四元合金(具有四种元素，例如InGaAlAs)或更多元合金。在下面的描述中，术语半导体极性材料包括所有这些材料。

根据变型，所述极性晶体是掺杂的。所述极性晶体中的自由载流子的产生使得电介质函数的谐振波段变宽和/或发生偏移。

根据本发明的调制器的第一实施例，所述耦合装置一体形成在所述极性晶体中。换句话说，构造所述极性晶体以形成所述界面声子极化激元和入射辐射之间的耦合元件。

例如，构造所述极性晶体以形成一个或多个晶体叶片，每个晶体叶片都形成意在与入射辐射耦合的光学天线，每个所述叶片的大面形成与电介质媒介(例如空气或真空)的两个界面。

有利地，所述耦合装置包括多个这种叶片。根据第一示例，这些叶片的形状和大小是完全相同的，优化所述叶片以用于与频率位于窄的可用光谱带的入射辐射的耦合。根据第二示例，所述叶片呈现不同的形状和大小，其允许使得调制器的可用光谱带变宽。