[发明专利]一种可高效光控的太赫兹法诺谐振超构器件

说明书

本发明设计了一种具有强法诺谐振的太赫兹超构器件，且其强度可受低功率连续光调制。本发明器件结构简单，使用背边刻蚀高阻硅和SOI（绝缘衬底上的硅）的技术来获得薄的硅衬底，所用衬底其自身就用做光活性层，不需要额外的光活性材料，整体制备工艺匹配现有加工技术，可流程化，不受操作人员技术影响，良品率高。由于硅衬底内部的载流子可被高于其禁带宽度的光子激发，使得法诺谐振强度可以采用低功率连续光调制，不需要昂贵的飞秒脉冲源，可以容易获得90%的调制深度和0.6‑0.85的调制幅度，调制幅度是以往报道2‑3倍，本发明给有更高灵敏度追求的生化传感器开辟了新道路。

技术领域

本发明涉及超材料器件与太赫兹技术领域，更为具体地，涉及一种强度可受连续激光高效控制的太赫兹法诺谐振超构器件。

背景技术

法诺（Fano）非对称共振效应最初是原子系统中连续激发态与离散激发态重叠的结果，在特定光学频段内产生的“零吸收”现象。Fano共振模式的光谱具有明显的不对称特征，这与传统的洛伦兹共振形成鲜明对比。近年来，在基于太赫兹（THz）超表面的非对称裂环谐振器中也观察到了尖锐的Fano共振。尖锐的Fano共振可广泛应用于THz陷波滤波器、THz窄带滤波器、THz开关器件和THz慢光器件等。同时，THz超表面的Fano共振对外界介质环境的特性非常敏感，可用做高灵敏度生物或化学传感器。

关于THz-Fano共振的研究层出不穷，科学家们对THz-Fano共振强度的控制进行了进一步的探索。Fano共振强度的光学控制引起了人们的广泛关注，其本质是改变谐振处的载流子浓度。通常的方法是在THz-Fano器件表面覆盖薄的光活性材料，所用的光活性材料有锗（Ge）、二硫化钼（MoS₂）、钙钛矿、碘化铅（PbI₂）和石墨烯等，调制深度可达90%。然而，一些缺点是显而易见的。一方面，由于薄膜光活性材料一般是多晶薄膜，存在固有的缺陷，如晶格缺陷浓度高，因此获得90%的调制深度必须依赖于高的泵浦功率来诱导足够的载流子数量。因此，通常需要昂贵的飞秒脉冲作为光泵源。另一方面，更严重的是，一旦光活性材料覆盖在太赫兹法诺超器件表面，即使没有光泵，原始器件的初始法诺共振也会剧烈减弱，振幅将下降高达50%，这使Fano共振的调制幅度范围急剧损失。在以前的报告中[1-5]，Fano的调制幅度很难超过0.3，无论怎样优化光活性层材料，现在报道的调制幅度已经到达极限。显然，我们不仅需要更大的调制深度，在同样的调制深度下，我们还需要较大的调制幅度，这有利于对Fano共振强度的精细控制。

我们研究发现，为了保持强的Fano谐振，衬底厚度必须非常薄，且不能使用过多的光活性材料。本发明使用背边刻蚀高阻硅和SOI（绝缘衬底上的硅）的技术来获得薄的硅衬底，设计了一种具有强Fano谐振的太赫兹超表面器件，由于硅衬底内部的载流子可被高于其禁带宽度的光子激发，Fano谐振强度可以采用低功率连续光调制，不需要昂贵的飞秒脉冲源，也不需要额外的光活性材料。该器件结构简单，可以获得90%的调制深度和0.6-0.85的调制幅度，调制幅度是以往报道的2-3倍，本发明给有更高灵敏度追求的生化传感器开辟了新道路。

参考：

[1]Yogesh Kumar Srivastava, ApoorvaChaturvedi, ManukumaraManjappa,Abhishek Kumar, GovindDayal, Christian Kloc, Ranjan Singh. MoS₂ for UltrafastAll-Optical Switching and Modulation ofTHz FanoMetaphotonic Devices. AdvancedOptical Materials5, 1700762 (2017).