針尖上的華爾茲——硅納米針陣列實現光控太赫茲波高效調控技術
太赫茲(THz,1THz=1012Hz)泛指頻率在0.1THz-10THz之間、波長3mm-30 mm波段內的電磁波。太赫茲波可以與凝聚態物質、有機及生物系統等相互作用，提供關於物質的物理、化學及波譜特性、分子、量子互作用過程等重要信息，因此在物質表徵、生物醫學、雷達探測、安檢成像以及無線通信等領域具有重要應用價值。然而，太赫茲技術的實際應用需要高水平有源器件和有效的調製技術。近年來，基於半導體硅的太赫茲器件受到高度的關注，這是因為硅基器件在製備技術和系統集成方面可以跟已有的或者新興的硅基光電子學系統相兼容，從而可以降低製備成本和提高系統集成性能。例如，光控的硅基太赫茲調製器就可以實現多像素的空間調製陣列，允許利用單點探測器來實現快速成像。然而，常規的半導體矽片對太赫茲波和激光均具有很強的反射，這不但限制了器件的太赫茲調製深度，其反射的光和太赫茲波也對應用系統的穩定性產生嚴重的影響。通過在矽片上製備納米顆粒等離子體層、石墨烯、以及人工超結構等，可以要麼降低太赫茲波的反射，要麼降低泵浦激光的反射。但是由於太赫茲波與泵浦激光的波長具有幾個數量級的差距，這些結構無法同時降低激光和太赫茲波的反射。而且由於額外材料的引入又引起其他的問題，比如插入損耗增加，工作頻段變窄，結構穩定性變差以及製備過程更加複雜等等。
最近，電子科技大學文岐業教授團隊與中科院理化技術研究所師文生教授團隊合作，研製了一種基於硅的納米結構，實現了激光和太赫茲波的共同減反效果。實驗顯示團簇狀的硅納米針尖陣列，可以同時降低對太赫茲波和可見光波的反射，並以此實現了一種寬頻、低插損且具有大調製深度的光控太赫茲波調製器件。首先，硅納米線形成的陷光結構對380nm—1100nm的激光均具有很強的減反射效應，這顯著提高了泵浦激光的利用效率，降低了反射光對應用系統的潛在影響。其次，這種針狀結構所形成的折射率梯度變化特性，對0.25—1THz頻段的太赫茲波也具有很好的減反射效果，太赫茲波的透射率最高可達90%。最後，與已有的在硅襯底上製備異質材料不同，硅的納米針尖陣列結構是通過成熟的化學刻蝕工藝直接在矽片上製備而成，因此硅襯底與納米結構之間沒有界面，具有結構穩定性。將該硅納米針陣列與808nm的半導體連續激光器相集成構成的光控太赫茲調製器，在50mW.mm-2的激光功率下獲得了高達75.8%的調製深度。該器件在極低的激光功率下也呈現出良好的調製性能，在低至15mW.mm-2的激光功率下也獲得了52.6%的調製深度,這是同等激光功率下矽片調製深度的3倍。這一器件還具有插損低、寬頻工作、結構穩定以及製備工藝簡便等優勢，具有很強的應用潛力。
可以預見，只要將具有空間分布的泵浦激光束投射到該器件上，即可以實現空間型光控太赫茲波調製器，從而能夠提高太赫茲成像的速度並降低系統成本。此外，其他類似的結構，如硅基的納米金字塔結構或者納米圓錐結構也可能存在相同的效果，因此這一研究也將激發對太赫茲波與半導體納米結構相互作用機理的研究興趣，從而開啟太赫茲波研究的一個新方向。
相關論文發表在Advanced Optical Materials（DOI:10.1002/adom.201700620）上，文岐業教授為該論文通信作者。
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