1、太赫兹物理、器件及其应用,曹俊诚 信息功能材料国家重点实验室 中科院上海微系统所 2010.9.18南开大学,太赫兹（THz）波,介于毫米波与红外光之间，频率在0.1-10THz（波长为3毫米-30微米）范围，又称T-射线,电磁波谱图,辐射能量越强,频率（Hz）,THz波重要性,与X光相比，THz波能量低，不会破坏生物组织，具有很高安全性，适合安检和医学成像,与红外光比，THz特征光谱对很多大分子来说更易分辨，可很好地用于鉴别毒品和爆炸物等,与微波相比，THz成像分辨率更高；THz通信更保密、安全,研究状况,欧盟： StarTiger THz空间计划、遥感、成像 THz-bridge 生物医学
2、诊断 Teravision THz成像器件、THz相机,日本： 列为十年战略规划首位。发展THz病理诊断、毒品和爆炸物检测技术等 中国,国家重大需求,国家重点管制类毒品THz谱,要害部门、场所安全监控,全国吸毒人员114万 北京2.6万,摇头丸,THz辐射有望成为一种新的 公共安全监控技术,THz振荡源: 自由电子激光器，气体激光器 Gunn振荡器，Bloch振荡器 电光晶体 半导体THz振荡器 THz量子级联激光器（THzQCL） THz探测器: 热辐射探测器 热电探测器 电光晶体 THzQWP,两个重大基础问题：,UCSB的自由电子激光器,THz振荡器和探测器,各类THz源技术特点,自由电
3、子激光器，同步辐射光源 输出频率覆盖范围宽 输出功率高 光束质量好 功耗高、体积庞大,CO2泵浦小分子气体THz激光器 输出频率准连续（更换工作介质可覆盖0.3-7.0THz） 输出功率50毫瓦 光束质量高 重量约70公斤 结构复杂；功耗约3千瓦,返波管（BWO） 输出频率范围1.11THz 输出功率1-10毫瓦 体积约0.50.40.5立方米 功耗600瓦；重量45公斤,飞秒激光泵浦、差频THz发生器 输出频率范围3.0THz 输出功率低毫瓦量级 功耗高、结构复杂、难于集成,Gunn振荡器 输出频率范围1.0 THz 高频段输出功率低（微瓦）,P-Ge振荡器；半导体负有效质量振荡器；基于带内
4、反射的THz振荡器；超晶格Bloch振荡器 新器件概念、原型器件阶段，无成熟器件、发展有很大不确定性,维吉尼亚公司产品技术参数 100-300 GHz 输出功率1-30mW 300-600 GHz 输出功率 0.1-8mW 600-900 GHz 输出功率 10-500微瓦 1.0-1.7 THz 输出功率 1-60微瓦,各类THz探测器技术特点,半导体肖特基二极管 体积小、重量轻 响应频段2.5THz 外差探测，需THz本地振荡源,超导体绝缘体超导体隧穿结探测器 体积小、重量轻 探测灵敏度高，逼近量子极限 响应频段1.5 THz 制冷温度约4K 需THz本地振荡源,Bolometer；Pyr
5、oelectric detector 探测率低 响应速度慢，通信速度提不上去 无光谱分辨本领,利用低维结构中THz引起的等离子体振荡 新器件概念，原理型器件阶段,THz量子阱探测器 按需设计响应频段 响应速度快 灵敏度较高 体积小、稳定、寿命长 制冷需求高（20-50K）,一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步,THz量子阱探测器 (THzQWP),THz量子阱探测器（THzQWP） 按需设计响应频段 响应速度快 灵敏度较高 体积小、稳定、寿命长 需制冷,THz量子阱探测器特点,THzQWP主要工作,基于THz感生的碰撞离化模型，解释了THz场在低维半导体的吸收规律；合
6、作研制了2-7 THz QWP Phys. Rev. Lett. 91, 237401 (2003) Phys. Rev. B 69, 165203 (2004). Appl. Phys. Lett. 84, 4068 (2004) 计算了GaAs光学声子吸收对THzQWP的光谱响应的影响; 研制了提高THzQWP吸收系数的新结构(改变阱宽和掺杂)，吸收系数超过20%，以实现高速探测 Infrared Physics and Technology 47, 169 (2005) IEEE J Sel Top Quant Elect 14, 374 (2008) 研究了多体效应对THzQWP响应峰
7、位影响 Appl. Phys. Lett. 94, 201101 (2009),发展了THz感生的碰撞离化模型,J. C. Cao, Phys. Rev. Lett. 91, 237401 (2003). J. C. Cao, Phys. Rev. B 69, 165203 (2004).,利用THz感生的电子空穴对的产生机制解释了THz吸收过程。表明： （1）电子无序散射是低场强和中等场强下的主要决定因素。 （2）高场强下的吸收则主要由带间碰撞离化决定。,应用于THz探测器设计,Appl. Phys. Lett. 84, 4068 (2004). Infrared Physics and T
8、echnology 47, 169 (2005). IEEE J Sel Top Quant Elect 14, 374 (2008) (Invited paper),THzQWP研制 实现了一种能工作在光子能量小于34 meV的THzQWP，其峰值探测频率为2-7 THz。探测灵敏度达10-12量级,THz量子阱探测器优化,计算了GaAs光学声子吸收对THzQWP的光谱响应的影响。研究表明，GaAs光学声子对3436meV区域有很强的吸收。理论计算与实验很好符合。,Superlattices and Microstructures 40, 119 (2006). Infrared Physi
9、cs & Technology 50, 191 (2007).,THzQWP的透射与吸收谱,多体效应对THzQWP响应峰位影响,Appl. Phys. Lett. 94, 201101 (2009) 在Hartree近似下，响应峰位设计误差约为30%！ 多体效应：交换关联（静态）；去极化、类激子（动态）,在不考虑交换关联作用时，设计的器件结构能够保证第一激发态与垒高一致，最佳设计！,考虑交换关联作用，第一激发态处于量子阱中，非最优设计！,设计误差大幅减小 30% 约5%,APL(May 2009)发表一个月内下载最多20篇文章之一,Appl. Phys. Lett. 94, 201101 (2
10、009),THz/FIR在石墨烯的吸收,THz双层石墨烯纳米带探测器 A. R. Wright, J. C. Cao, C. Zhang, Phys. Rev. Lett. 103, 207401 (2009),构造了石墨烯的一个子类双层纳米带，计算表明，其手性和带间耦合使THz/FIR光学响应显著增强，可达普适电导e2/4的80140倍 可望实现常温的高灵敏度的THz探测器 克服了石墨烯在电子学和光子学应用的一个障碍,Referee Comments: This manuscript predicts that certain types of nano-ribbons of bilayer
11、 graphene have very high optical conductivity. This work will very likely motivate experiments,20,2009年11月20日 Highlights,中科院上海微系统所,一、 THz探测器与物理二、 THz激光器与物理三、THz通信初步,量子级联新结构的应用使得激射波长从红外波段提升了10倍，推进到THz波段(2002),Kohler et al, NATURE 417, 156 (2002),原理：电子从高能级跃迁到低能级释放出THz辐射,THz量子级联激光器,THzQCL主要工作,发展了THzQCL
12、 MC模拟程序，设计了基于共振声子散射的THzQCL。研究了子带激光器动力学 Phys. Rev. Lett. 90, 077402 (2003) Appl. Phys. Lett. 88, 061119 (2006) J. Appl. Phys. 104, 043101 (2008) 完成了THzQCL材料生长、器件制作 Appl. Phys. Lett. 90, 041112 (2007) Appl. Phys. Lett. 92 221105 (2008) J. Appl. Phys. 103, 103113 (2008) 优化了THzQCL器件设计 Semicond. Sci. Tec
13、hnol. 23, 125040 (2008) Semicond. Sci. Technol. 24, 065012 (2009) J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 025101 (2009),Roadmap of THzQCL The first THzQCL - Khler et.al, Nature 2002 (Pisa, Italy) Chirped-superlattice Semi-insulating surface plasmon waveguide Lasing at 4.4 THz Maximum operating temperature of 50
14、 K J. Faist, APL 2002 Q. Hu, APL 2003 H. C. Liu, NRC, APL 87, 141102 (2005) J. C. Caos Group, SIMIT, Shanghai, 2007,Up to date, the best device performances are: maximum operating temperature186 K (pulsed); 117 K (cw) highest output power250 mW lowest lasing frequency1.2 THz,Year,Year,Frequency (THz
15、),Operating temperature (K),Pulsed cw,Without M. M. assistance,Progress of THzQCL,THzQCL MC模拟,Monte Carlo Method,Used to solve mathematical problems by random-number technology Using random numbers in an essential way to simulate scattering processes The differential-integral equations usually inclu
16、de high-order numerical integrations,The semi-classical BE for transport of Bloch electrons:Where can be replaced by collision integral:,MC solution of Boltzmann equation,I-V和器件调谐特性模拟与实验 Appl. Phys. Lett., 89, 211115 (2006) J. Appl. Phys. 103, 103113 (2008) J. Appl. Phys. 104, 043101 (2008) Appl. Ph
17、ys. Lett. 92, 221105 (2008),对于四阱共振声子THzQCL，考虑电子-电子、电子-杂质、电子-LO声子散射以及热声子效应之后，模拟的I-V曲线和实验测量结果十分吻合。设计偏压11kV/cm（对应12V），峰值增益66cm-1，辐射频率4.1THz计算的激射范围：10.2-13 V 测量的激射范围：10.9-13.3 V,THzQCL参数优化 Appl. Phys. Lett. 92, 221105 (2008). Semicond. Sci. Technol. 23, 125040 (2008) Semicond. Sci. Technol. 24, 065012 (
18、2009),DUT: Three-well resonant-phonon THz QCL We have simulated the effects of three parameters, i.e., doping concentration, injection and extraction barrier width, and phonon extraction level separation on the device performance.,Designed bias: 14.4 kV/cm Lasing transition occur from level 4 to 3,
19、and levels 3 (2) to 1 are for LO-phonon depopulationOptimizing process: Injection barrier width extraction barrier width doping concentration,The optimized extraction barrier width for maximal gain is 36 , which are in good agreement with the measured results.,Gain dependence on extraction barrier w
20、idth Appl. Phys. Lett. 92, 221105 (2008),THzQCL内部温度分布模拟 J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 205102 (2009),采用有限元方法模拟计算了THz QCL器件内部的温度分布如图（a）所示。器件有源区的温度要远远高于热沉温度。图（a）中的A、B、 C三条直线所对应的温度梯度分别如图（b）（c）所示。,THzQCL研制与测试,V90 GSMBE Material growth,Packaged device,Cluster Simulation,THzQCL研制流程,THz量子器件材料生长设备,V90 GSMBE,V8
21、0 GSMBE,气态源分子束外延（GSMBE ) 系统,FTIR Spectroscopy,UV-Vis Spectroscopy,ECV, PVS & Hall,I-V, I-P & C-V,X-ray Diffraction,THz器件、材料表征设备,THz器件测试,光谱测量装置,THzQCL器件,傅立叶红外光谱仪 DTGS探测器,温控仪,脉冲电源,示波器,THzQCL,焦热电探测器,离轴抛物镜,聚乙烯窗片,THz器件光功率测量,THzQCL器件工艺,热压键合： 0.5MPa，250oC, 30min,在n+GaAs衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键合用金属层。,热压键合,去除样品的半绝缘Ga
22、As衬底,蒸镀上电极金属,刻蚀或腐蚀出条型激光器,制作下电极，解理并封装成激光器器件。,n+ GaAs 衬底,半绝缘 GaAs 衬底,Laser Structure,半绝缘 GaAs 衬底,Laser Structure,在n+GaAs衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键合用金属层 热压键合 去除样品的半绝缘GaAs衬底 制作上电极 刻蚀或腐蚀条型激光器 制作下电极，解理并封装成激光器器件,3.2 THz QCL研制,Lasing at 3.2 THz in pulsed mode Pulse width: 3 s, repetition rate: 1 kHz; Measured at 10 K
23、Device size: 150 m2 mm,有源区：束缚态到连续态跃迁设计 波导：半绝缘等离子波导,Absorption,相对湿度较大时, 采用FTIR测量的 大气距离为 10 cm 的透射谱结果,3.39 THz (113 cm-1),THz 频段大气窗口,2007年自主生长的材料所制作器件的激射频率,2008年以THz频段为载波的无线通信实验中所采用的频点,4.1 THz (138 cm-1),温度：100K (p), 40K (cw) 功率：10mW 频率：4.1 THz 寿命长，稳定性高 需要的制冷功耗：5-12 W,THz辐射,THzQCL器件,通信用4.1THzQCL,一、 TH
24、z探测器与物理二、 THz激光器与物理三、THz通信初步,THz尚未分配的波段,当前使用及正将出现的无线通信系统 WLAN (Wireless Local Area Networks) - IEEE 802.11b, 11 Mbps, 2400-2483.5 MHz - IEEE 802.11g, 54 Mbps, 2400-2483.5 MHz - IEEE 802.11a, 54 Mbps, 5150-5350 MHz, 5470-5725 MHz, 5725-5825 MHz - IEEE 802.11n, 100 Mbps, optional bis zu 600 Mbps, Freq
25、. like 802.11a - WIGWAM Project, up to 1 Gbps, 5, 17, 24, 60 GHz, MIMO WPAN (Wireless Personal Area Networks) - Bluetooth, IEEE 802.15.1a, 1 Mbps, 2400-2483.5 MHz - High-rate WPANs, IEEE 802.15.3a, realized 500 Mbps, planned 1.3 Gbps several meters, UWB based, 3.1-10.6 GHz - High data rate WPANs, IE
26、EE 802.15.3c, planned 2 Gbps several meters, mm-Wave, 60 GHz band (57-64 GHz),目前THz波段尚未分配，可为未来的大容量高速通信提供巨大的带宽资源,THz 波通信的特点,具有其它频段光通信的优点 带宽宽 高信噪比 天线小 定向性好 散射小 安全性高 在安全保密通信方面 对于空间通信，大气可作为天然屏障，通信过程难以侦测 对于地面短距离通信，水气吸收严重，中远程探测极难实现 作为新兴技术，可消除在信息接收、发送和监测的盲区,电话线 BW 50 k,同轴电缆 BW 10 M,光纤 BW 100 M,射频器件 BW 5 G,
27、毫米波器件 BW 50 G,THz波器件 BW 1 T,THz通信大容量、高速的需求,预期的THz通信发展路图 Nature Photon. Vol. 1, 97 (2007),欧洲 IPHOBAC 的预计,IPHOBAC是欧洲一项开始于2006年(为期三年)的计划，该计划整合了光子学和无线电技术来制作高于 30 GHz 的毫米波光子 (mmWP) 器件。该计划汇集了6个国家的11个研究机构。,未来高速率 (百Gbps) 信号传输迫切需要 THz器件及 THz 通信系统的快速发展,THz 通信的主要应用领域,对于空间通信，大气可作为天然屏障，通信过程难以侦测 作为新兴技术，可消除在信息接收、发
28、送和监测的盲区 发展THz频段空间通信可以实现高保密数据通信，为国家空间技术的发展争取有利的频段资源,THz通信空间保密通信的需要,空间保密通信,THz 波,THz 波,THz 波,THz 波,THz 波,战地短距离保密通信的需要,保密,随着信息时代的发展，信息战成为主导，而实时的战地短距离通信可以为作战指挥提供方便。目前THz频段的战地短距离通信尚未应用，由于大气对THz波吸收严重，对此频段通信过程的监听更是难上加难，从而使THz短距离无线通信倍受保密通信发展的亲睐。,THz 通信研究计划,中国921重大工程项目 美国NASA：THz 通信计划 美国空军安全短距离大气通信：Air Force
29、 Office of Scientific Research (AFOSR) 欧盟第五框架计划资助的WANTED工程: Wireless Area Networking of THz Emitters and Detectors 德国Technische Universitat Braunschweig) THz 通信演示 日本NTT, THz 无线通信,空间THz通信试验,TG1 (左)与SZ8(右)对接示意图,TG1目标飞行器,空间实验室,研究背景： 2010年发射TG1目标飞行器。之后，发射SZ8与TG1进行无人自动对接试验 2015年前，陆续发射TG2、TG3 2020年建成中国TG空
30、间站 战略目标： 针对TG3研究THz通信关键技术 空间站的THz通信试验（1/6个前沿试验）,依托项目：921(审批中)，x863(重点)，院重大，THz973,信号源：THz量子级联激光器（THzQCL） 探测器：THz量子阱探测器（THzQWP） ATP系统：与激光通信一致 辐射频率覆盖范围宽 能量转换效率高 结构紧凑、体积小、重量轻 高速通信能力,THz空间通信试验系统构成,空间THz 波通信实验方案示意图,由THzQCL发射激光，按照调幅的原理直接调制QCL的发射光强 由探测器来探测QCL发射光强的变化，从而提取所需传输的信号，实现由THz激光作为载波的信号传输 通信频点：4.1 T
31、Hz,THz通信演示中科院上海微系统所(2008),THz QWP,通信方案,THz通信演示系统2008 (中科院上海微系统所),双层聚乙烯板遮挡,双层聚乙烯板夹水层后遮挡,A4纸遮挡,手遮挡,调制驱动电源的信号和THzQWP接收到的信号,文件传输过程中的软件控制,信号读取,信号解码,左图：THzQWP探测到被调制的THz光之后，会产生光电流的变化，提取上述变化后我们将电流信号转换成电压信号，并用控制软件结合示波器进行读取，最后将读取值解调为二进制编码，将被传输信号还原，完成信号的传输。,右图：被传输文件内容及通过THz无线传输后的接收到的文件,THzQWP,THzQCL,距离2.2m,源图片,接收到的图片,实时驱动信号,实时接收信号,THz波图形传输,THz通信系统,实现了THz波的图像传输演示(2.2 m) (2009.12.1完成),小 结,THz研究在近些年内取得了巨大进展 我国在THzQCL研制方面取得进展，并形成了研究队伍合理、设备齐全的研究平台 THz空间通信有望实现信息的快速、大容量和高保密传输，进行THz通信试验有望在这一领域实现跨越式发展 THz空间通信方案与短波长光通信方案类似，可以借鉴已有技术，但在关键器件研制、特定制冷系统研制等方面具有挑战性和重要意义,
