外差式相干探測(cè)時(shí)域光譜儀對(duì)磷化銦(InP)晶片的超寬頻帶太赫茲光譜的探測(cè)

張亮亮，張 銳，徐曉燕，張存林

1. 北京太赫茲光譜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部太赫茲光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，首都師范大學(xué)物理系，北京 100048 2. 北京大學(xué)工程學(xué)院，北京 100871

外差式相干探測(cè)時(shí)域光譜儀對(duì)磷化銦(InP)晶片的超寬頻帶太赫茲光譜的探測(cè)

張亮亮1，張 銳2，徐曉燕1，張存林1

1. 北京太赫茲光譜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部太赫茲光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，首都師范大學(xué)物理系，北京 100048 2. 北京大學(xué)工程學(xué)院，北京 100871

磷化銦(InP)屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料, 在毫米波的應(yīng)用中展示出了高性能，在非線性太赫茲器件應(yīng)用上具有很大的潛力。以前關(guān)于InP的研究主要集中于太赫茲頻率在0.1～4 THz的頻率范圍內(nèi)，在4～10 THz頻率范圍內(nèi)InP的太赫茲光學(xué)數(shù)據(jù)還是空白。該研究利用空氣等離子體相干探測(cè)太赫茲波的時(shí)域光譜系統(tǒng)研究了無(wú)摻雜的InP晶片在超寬THz頻率范圍(0.5～18 THz)內(nèi)的光學(xué)特性, 實(shí)驗(yàn)中用電離的空氣作為太赫茲的發(fā)射器和探測(cè)器, 利用可以調(diào)制的局部偏壓誘導(dǎo)二次諧波產(chǎn)生，使在氣體中太赫茲波的相干探測(cè)成為可能，明顯提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。產(chǎn)生的太赫茲頻譜寬度主要被激光脈沖持續(xù)時(shí)間所限制，太赫茲脈沖通過(guò)InP晶片后相對(duì)于參考脈沖會(huì)延遲，同時(shí)振幅會(huì)降低。另外，太赫茲信號(hào)的頻譜振幅在6.7～12.1 THz范圍內(nèi)下降到本底噪聲。同時(shí)還可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz頻率范圍內(nèi)不透光，在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz頻率范圍內(nèi)InP的吸收系數(shù)相對(duì)較低，特別是在15～17.5 THz范圍內(nèi)吸收系數(shù)很低并且保持相對(duì)穩(wěn)定，與此同時(shí)它的折射率單調(diào)增加。這些發(fā)現(xiàn)將有助于基于InP晶片的非線性太赫茲器件設(shè)計(jì)。

磷化銦; 超寬頻帶太赫茲光譜; 光學(xué)特性

引 言

InP和摻雜的InP屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，是一種重要的材料，在微電子器件以及光電子器件中有許多技術(shù)應(yīng)用，比如太陽(yáng)能電池，肖基特二極管和激光二極管。近期，InP晶片在毫米波應(yīng)用領(lǐng)域引起了極大的興趣[1]?；贗nP的毫米波源和放大器可以獲得高的輸出功率[2]，顯示出了在高頻段被應(yīng)用的很大可能性[1]。

同時(shí)，隨著太赫茲產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，太赫茲時(shí)域光譜學(xué)被廣泛地應(yīng)用于研究不同材料的光學(xué)特性，比如生物組織[3]，化學(xué)藥品和炸藥[4]。到目前為止，開(kāi)發(fā)新型功能組件來(lái)產(chǎn)生更強(qiáng)和更寬頻帶的太赫茲波已成為迫切的需求。由于InP晶片在毫米波的應(yīng)用中展示出了高性能，在非線性太赫茲器件應(yīng)用上具有很大的潛力[5]。然而，InP在太赫茲波段(0.1～10 THz)的光學(xué)特性還沒(méi)有完全被描繪以及系統(tǒng)地研究。以前關(guān)于InP的研究主要集中于太赫茲頻率在0.1～4 THz的頻率范圍[6]，在4～10 THz頻率范圍InP的太赫茲光學(xué)數(shù)據(jù)還是空白。完全理解InP在整個(gè)太赫茲波段的特性是相當(dāng)必要的，以使其更好的用作高效太赫茲器件。

近期，利用激光誘導(dǎo)氣體等離子體產(chǎn)生寬頻譜的太赫茲技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展作為太赫茲波發(fā)射器以及傳感器，光譜系統(tǒng)的頻譜范圍可以覆蓋0.1～10 THz的整個(gè)太赫茲范圍[7]。特別是基于空氣等離子體的外差式相干探測(cè)太赫茲(air-biased-coherent-detection，ABCD)的方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，利用可以調(diào)制的局部偏壓誘導(dǎo)二次諧波產(chǎn)生，使在氣體中太赫茲波的相干探測(cè)成為可能，明顯提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度[8-9]。太赫茲ABCD光譜儀顯著提高了有效頻譜帶寬，因而在材料的研究上吸引了越來(lái)越多的注意力[10-11]。

本工作利用空氣等離子體產(chǎn)生和相干外差式探測(cè)太赫茲波的時(shí)域光譜儀，有效頻譜范圍覆蓋0.8～18 THz，測(cè)量分析了無(wú)摻雜的InP晶片超寬頻譜的太赫茲光譜以及折射率和吸收系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，鈦藍(lán)寶石激光放大器產(chǎn)生重復(fù)頻率1 kHz，中心波長(zhǎng)800 nm，脈沖寬度為40 fs的飛秒激光脈沖。泵浦光(功率是1.2 W)被一個(gè)焦距為100 mm的凸透鏡聚焦，通過(guò)厚度為100 μm的BBO倍頻晶體之后產(chǎn)生二次諧波，基頻波和二次諧波聚焦在空氣中產(chǎn)生空氣等離子體，在等離子體中遂穿(電離)產(chǎn)生時(shí)變電流，從而產(chǎn)生向前傳播的太赫茲輻射。太赫茲波被四個(gè)離軸的拋物面鏡收集并聚焦，一個(gè)高電阻率的硅片放在太赫茲傳播路徑中阻擋剩余的飛秒激光。聚焦的探測(cè)光通過(guò)一個(gè)打孔的焦距2英寸的拋物面鏡后與太赫茲波共線聚焦在同一點(diǎn)，太赫茲場(chǎng)在此點(diǎn)誘導(dǎo)產(chǎn)生二次諧波場(chǎng)。在太赫茲波和探測(cè)光的共焦處兩側(cè)加有一對(duì)線性電極提供的交流偏壓(電壓2 kV，重復(fù)頻率500 Hz)，高壓場(chǎng)和探測(cè)光場(chǎng)相互作用導(dǎo)致二次諧波產(chǎn)生，此二次諧波作為本振信號(hào)，與太赫茲波誘導(dǎo)的二次諧波共同通過(guò)400 nm帶通濾波器后輸入光電倍增管(PMT)中，相干探測(cè)出太赫茲波。

Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup

上述方法優(yōu)點(diǎn)在于可以產(chǎn)生和探測(cè)0.2～18 THz寬頻譜太赫茲波，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中用電離的空氣作為太赫茲的發(fā)射器和探測(cè)器而不是用電光晶體或者光導(dǎo)天線，所以產(chǎn)生的太赫茲頻譜寬度主要被激光脈沖持續(xù)時(shí)間所限制。圖1系統(tǒng)中黑色矩形方框部分被充入干燥的氮?dú)獗苊馑魵鈱?duì)太赫茲的吸收。充入氮?dú)獠糠趾笙鄬?duì)濕度控制在4%以下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量在室溫下進(jìn)行。研究了厚度是350 μm無(wú)摻雜的半導(dǎo)體InP晶片的超寬太赫茲光譜，樣品放在第二個(gè)拋物面鏡PM2的焦點(diǎn)處采用透射式測(cè)量。

(1)

(2)

(3)

式中d是樣品厚度，c0是光在樣品中的傳播速度。

2 結(jié)果與討論

參考信號(hào)(上)和樣品信號(hào)(下)的太赫茲時(shí)域波如圖2所示。太赫茲脈沖通過(guò)InP晶片后相對(duì)于參考脈沖會(huì)延遲，同時(shí)振幅降低。樣品信號(hào)延遲是因?yàn)樘掌澆ㄔ贗nP晶片中的傳播速度比在空氣中慢，InP晶片對(duì)太赫茲的反射與吸收使得樣品信號(hào)的振幅較低。在樣品信號(hào)的邊緣出現(xiàn)了許多回波，表明存在磷化銦的共振效應(yīng)。

Fig.2 The THz time-domain waveforms for the reference (a) and sample (b) signals

圖3為太赫茲參考信號(hào)和樣品信號(hào)的時(shí)域譜通過(guò)快速傅里葉變換后相應(yīng)的頻譜圖，包括了本底噪聲。參考信號(hào)的頻譜可覆蓋0.5～21 THz的超寬太赫茲連續(xù)譜范圍，由于在泵浦路用了高電阻率的硅片擋掉剩余的紅光，出現(xiàn)在18 THz附近的光譜特征為硅片的雙聲子吸收所引起的[8]。在圖中很明顯地看出樣品太赫茲信號(hào)的頻譜振幅在6.7～12.1 THz范圍內(nèi)下降到本底噪聲。

Fig.3 The corresponding frequency spectra of the reference and sample signals. The frequency spectrum of the noise floor is also plotted

吸收系數(shù)和折射率如圖4所示，圖中曲線1為InP的折射率，曲線2表示InP的吸收系數(shù)。由于太赫茲頻率超過(guò)18 THz時(shí)樣品的動(dòng)態(tài)范圍很低，只給出了帶寬為18 THz范圍內(nèi)的光學(xué)參數(shù)。圖中兩條豎直虛線表明InP晶片在6.7 THz和12.1 THz處是兩個(gè)特殊的點(diǎn)。在0.8～6.7 THz的低頻段，InP的折射率從1.27～3.86單調(diào)遞增。樣品的吸收系數(shù)在0.8～3.5 THz范圍內(nèi)先減小，在3.5 THz時(shí)達(dá)到最小值167.93 cm-1。在3.5～3.9 THz范圍內(nèi)出現(xiàn)三個(gè)很弱的吸收峰，而后吸收系數(shù)顯著地增加直至6.7 THz。在6.7～12.1 THz頻段InP有一個(gè)很強(qiáng)的吸收。當(dāng)頻率繼續(xù)增加時(shí)吸收系數(shù)會(huì)呈很明顯的下降趨勢(shì)。在6.7～12.1 THz范圍內(nèi)由于出現(xiàn)許多離散共振，樣品的折射率從3.86減小到1.89。

Fig.4 The refractive index (line 1) and absorption coefficient (line 2) of InP within the frequency range of 0.5～18 THz

在12.1～18 THz更高的頻率范圍內(nèi)，磷化銦的折射率從1.89～2.63單調(diào)遞增。同時(shí)，吸收系數(shù)在12.1～12.3 THz范圍內(nèi)先顯著下降，在12.3～13.4 THz范圍內(nèi)在430～650 cm-1內(nèi)變化。在13.4～14.4 THz范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的吸收頻帶，最高值可達(dá)到1 053.69 cm-1。而后在14.4～15 THz范圍內(nèi)吸收系數(shù)減小，在此范圍內(nèi)吸收系數(shù)保持在370 cm-1以下，但是在大于17.5 THz出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的吸收峰。

InP是光學(xué)器件和電子器件[1]以及半導(dǎo)體很常用的基底，在頻率6.7～12.1 THz范圍內(nèi)InP超高的吸收系數(shù)表明在此范圍內(nèi)研究依賴于InP的半導(dǎo)體器件不可行。然而，在0.8～6.7和12.1～18 THz范圍內(nèi)InP的吸收系數(shù)較低。特別是在15～17.5 THz范圍內(nèi)吸收系數(shù)很低并且保持相對(duì)穩(wěn)定。與此同時(shí)，InP的折射率在0.8～18 THz范圍內(nèi)先增加后減少，在6.7和12.1 THz處是兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在整個(gè)太赫茲頻段對(duì)InP光學(xué)特性的所有認(rèn)識(shí)有利于基于InP的光學(xué)組件的設(shè)計(jì)，比如高效應(yīng)用在非線性太赫茲領(lǐng)域的太赫茲發(fā)射器、探測(cè)器和調(diào)制器。

3 結(jié) 論

利用基于空氣等離子體的外差式相干探測(cè)太赫茲波時(shí)域光譜儀，對(duì)無(wú)摻雜的InP晶片在0.8～18 THz的超寬頻段的光學(xué)特性進(jìn)行了研究。觀察到InP在6.7～12.1 THz內(nèi)有非常強(qiáng)的吸收，其折射率在0.8～6.7和12.1～18 THz范圍內(nèi)單調(diào)增加。這一研究結(jié)果為寬帶太赫茲系統(tǒng)中基于InP光學(xué)器件的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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The Detection of Ultra-Broadband Terahertz Spectroscopy of InP Wafer by Using Coherent Heterodyne Time-Domain Spectrometer

ZHANG Liang-liang1, ZHANG Rui2, XU Xiao-yan1, ZHANG Cun-lin1

1. Beijing Key Lab for Terahertz Spectroscopy and Imaging, Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Capital Normal University, Beijing 100048, China 2. College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Indium Phosphide (InP) has attracted great physical interest because of its unique characteristics and is indispensable to both optical and electronic devices. However, the optical property of InP in the terahertz range (0.110 THz) has not yet been fully characterized and systematically studied. The former researches about the properties of InP concentrated on the terahertz frequency between 0.1 and 4 THz. The terahertz optical properties of the InP in the range of 4～10 THz are still missing. It is fairly necessary to fully understand its properties in the entire terahertz range, which results in a better utilization as efficient terahertz devices. In this paper, we study the optical properties of undoped (100) InP wafer in the ultra-broad terahertz frequency range (0.5～18 THz) by using air-biased-coherent-detection (ABCD) system, enabling the coherent detection of terahertz wave in gases, which leads to a significant improvement on the dynamic range and sensitivity of the system. The advantage of this method is broad frequency bandwidth from 0.2 up to 18 THz which is only mainly limited by laser pulse duration since it uses ionized air as terahertz emitter and detector instead of using an electric optical crystal or photoconductive antenna. The terahertz pulse passing through the InP wafer is delayed regarding to the reference pulse and has much lower amplitude. In addition, the frequency spectrum amplitude of the terahertz sample signal drops to the noise floor level from 6.7 to 12.1 THz. At the same time InP wafer is opaque at the frequencies spanning from 6.7 to 12.1 THz. In the frequency regions of 0.8～6.7 and 12.1～18 THz it has relativemy low absorption coefficient. Meanwhile, the refractive index increases monotonously in the 0.8～6.7 THz region and 12.1～18 THz region. These findings will contribute to the design of InP based on nonlinear terahertz devices.

InP； Ultra-broadband terahertz spectroscopy； Optical property

Dec. 19, 2014; accepted Apr. 16, 2015)

2014-12-19，

2015-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11374007)，全國(guó)優(yōu)秀博士論文項(xiàng)目(201237)和香江學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目(G-YZ53)資助

張亮亮，女，1979年生，首都師范大學(xué)物理系太赫茲教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員 e-mail: zhlliang@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0322-04