专利名称：太赫兹表面等离子体波温度控制开关及其控制方法
技术领域：
本发明涉及到一种太赫兹表面等离子体波温度控制装置，和利用本征半导体等离子体频率随温度变化的特性调制太赫兹表面等离子体波的一种方法。
背景技术：
太赫兹(THz)波通常是指频率在0. 1 IOTHzdTHz = IO12Hz)的电磁波，它的波长介于微波与近红外之间。在频域上，太赫兹波处于宏观向微观过渡区域，在辐射机制上， 太赫兹波处于经典电磁辐射向量子跃迁过渡区域。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生、调制、检测方法，人们对于该频段电磁波的应用非常有限，以致该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。然而由于太赫兹波的独特性质，它在通信、光谱分析、安全检查等领域有着广泛的应用前景。为了制作出有效的太赫兹波调制装置，J.G0mez Rivas等人把太赫兹波转换为太赫兹表面等离子体波，通过温度控制开关对太赫兹表面等离子体波进行开关调制。如果温度控制开关关闭，则没有信号通过；如果温度控制开关开通，再把太赫兹表面等离子体波耦合为太赫兹波，或直接用太赫兹表面等离子体波进行传输，从而实现了对太赫兹频段的开关调制。然而现有的太赫兹表面等离子体波温度控制开关需要使用光栅，因此在性能上尚不完美。首先，由于光栅的使用，光栅本身会散射太赫兹表面等离子体波的能量，从而使得信号能量受到损失。其次，需要制作出能反射特定频率太赫兹表面等离子体波的光栅，这也增加了制作的难度和成本。更重要的是，现有太赫兹表面等离子体波温度控制开关只能对很窄波段的特定频率实现开关控制，不能对宽谱的太赫兹表面等离子体波进行调控。如果入射的太赫兹波里面存在相隔较远的诸多波长信号，用现有的装置就无法同时对几个波长的信号进行开关调制。因此，我们有必要设计一种低成本、低损耗、宽频谱的太赫兹表面等离子体波温度控制开关。
背景技术：
文件1. J. Gomez Rivas, M. Kuttge, H. Kurz, P. Haring Bolivar, and J. A. Sanchez-Gil, "Low-frequency active surface plasmon optics on semiconductors，，Appl.Phys. Lett. 88,082106(2006).2. J. Gomez Rivas, M. Kuttge, P. Haring Bolivar, H. Kurz, and J. A. Sanchez-Gil, “Propagation of surface plasmon polaritons on semiconductor gratingsnPhys. Rev. Lett. 93,256804(2004).3. JoseA. Sanchez-Gil, and Jaime Gomez Rivas，“Thermal switching of the scattering coefficients of terahertz surface plasmon polaritons impinging on a finite array of subwavelength grooves on semiconductor surfacesnPhys. Rev. B 73， 205410(2006).
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种太赫兹表面等离子体波温度控制开关，解决背景技术中制作成本较高、能量损耗较大、调谐频带宽度较窄等技术问题。技术方案本发明为一种太赫兹表面等离子体波温度控制开关及其控制方法。本发明的太赫兹表面等离子体波温度控制开关包括一个等离子体频率在常温下处于太赫兹波段的本征半导体晶片、两个平行放置的刀片、以及一个温度控制装置。两个刀片垂直于本征半导体晶片，两个刀片的刀口离本征半导体晶片上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在空气中的衰减距离，两个刀片之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离。本征半导体晶片的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波在半导体中的衰减距离。温度控制器紧贴本征半导体晶片的下表面。温度控制器的温度调节范围应使得半导体晶片的等离子体频率能够随着温度变化大于和小于所传播的表面等离子体波频率。本发明提出了一种太赫兹表面等离子体波温度控制方法。通过温度控制器控制本征半导体晶片温度，从而改变该本征半导体的载流子浓度。当半导体的载流子浓度改变时， 它的等离子体频率也跟着改变，从而它的介电常数将会改变。一般来说，当太赫兹表面等离子体波的频率大于本征半导体晶片的等离子体频率时，该半导体表现为介质特性，其介电常数实部为正；当太赫兹表面等离子体波的频率小于本征半导体晶片的等离子体频率时， 该半导体表现为金属特性，其介电常数实部为负。因为太赫兹表面等离子体波只能在介电常数符号相反的两种介质分界面传播，所以当半导体表现为金属特性时太赫兹表面等离子体波可以在半导体表面传播，而当半导体表现为介质特性时太赫兹表面等离子体波不能在半导体表面传播，从而实现了开关的功能。刀片是用于将太赫兹波转化为太赫兹表面等离子体波以及将导通的太赫兹表面等离子体波转化为太赫兹波。将太赫兹波转化为太赫兹表面等离子体波时需要将太赫兹波以一定角度入射到其中一个刀片的刀口处才能实现最大的耦合效率。同样，在另一个刀片的刀口处所发出的太赫兹波也是在一定方向上最强。
装置可置于一般空气中，但为了防止空气中的水蒸气以及凝结在本征半导体表面的水珠(当用温度控制器降低温度时)吸收太赫兹波影响开关效果，装置放置在真空或充氮气的环境中将能达到更好的效果。为了实现较宽频谱范围内的开关控制，需要控制的温度范围将会增大。如果需要控制的温度与常温相差较大，可采用多级温度控制器来实现。有益效果本发明具有以下优点1、制作成本低。不需要在本征半导体晶片表面制作光栅，所以整个装置的成本较低。2、能量损耗小。没有光栅等结构散射能量，因此太赫兹表面等离子体波的能量损耗较小，信噪比得到提高。3、调制范围宽。可以对较宽的太赫兹波段进行开关调制，提高了器件的性能和应用范围。
图1是本发明的结构原理图。太赫兹表面等离子体波温度控制开关包括一个等离子体频率在常温下处于太赫兹波段的本征半导体晶片、两个平行放置的刀片、以及一个温度控制装置。两个刀片垂直于本征半导体晶片，两个刀片的刀口离本征半导体晶片上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在空气中的衰减距离，两个刀片之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面传播距离。本征半导体晶片的厚度大于表面等离子体波在半导体中的衰减距离。温度控制器紧贴本征半导体晶片的下表面。当在一定的温度下，本征半导体晶片的等离子体频率大于所传输的太赫兹波频率。此时，一部分入射到刀片刀口处的太赫兹波先耦合为太赫兹表面等离子体波，然后太赫兹表面等离子体波会沿着本征半导体的表面传播，最后当太赫兹表面等离子体波到达第二个刀片的刀口处时，有一部分太赫兹表面等离子体波耦合成太赫兹波。图2是太赫兹表面等离子体波沿垂直于本征半导体表面方向的电场强度|EZ|的场强分布。图3采用多级温度控制器以及水冷装置控制温度的示意图。图中有太赫兹波1、本征半导体2、刀片3、太赫兹表面等离子体波4、温度控制器 5、外部气体(如无则为真空)6、铜片7、水冷装置8。
具体实施例方式本发明的太赫兹表面等离子体波温度控制开关的结构为在本征半导体晶片上方平行放置两个刀片，本征半导体晶片下方紧贴一个温度控制装置。上方的两个刀片的刀口离本征半导体晶片上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在空气中的衰减距离，两个刀片之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波在半导体表面的传播距离，本征半导体晶片的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波在本征半导体中的衰减距离。本征半导体晶片的特征为在常温下或接近常温时其等离子体频率在太赫兹波段。 当在一定的温度下，本征半导体晶片的等离子体频率大于所传输的太赫兹波频率。此时，一部分入射到刀片刀口处的太赫兹波先耦合为太赫兹表面等离子体波，然后太赫兹表面等离子体波会沿着本征半导体的表面传播，最后当太赫兹表面等离子体波到达第二个刀片的刀口处时，有一部分太赫兹表面等离子体波耦合成太赫兹波。这样在该温度下就实现对所有小于本征半导体等离子体频率的太赫兹频段的太赫兹波的导通，如图1所示。然而，通过降低温度，本征半导体的本征载流子浓度减小，本征半导体的等离子体频率随着减小，这时本征半导体等离子体频率小于所传输的太赫兹波频率，这时该频段的太赫兹表面等离子体波不能在本征半导体表面传播，从而实现了对该频段的太赫兹波的阻断。相反，通过提高温度，又可以实现对该频段的太赫兹波的导通。太赫兹表面等离子体波的传播距离以及在外部气体(或真空)和本征半导体中的衰减距离可根据表面等离子体的色散方程求得，太赫兹表面等离子体的色散方程是
权利要求
1.一种太赫兹表面等离子体波温度控制开关，其特征在于该开关包括一个等离子体频率在常温下处于太赫兹波段的本征半导体晶片O)、两个平行放置的刀片(3)、以及一个温度控制器(5)，两个刀片(3)垂直于本征半导体晶片O)，两个刀片(3)的刀口离本征半导体晶片(2)上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波(4)在空气中的衰减距离，两个刀片(3)之间的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波(4)在半导体表面传播距离；本征半导体晶片O)的厚度大于最小频率的太赫兹表面等离子体波(4)在半导体中的衰减距离；温度控制器( 紧贴本征半导体晶片( 的下表面，温度控制器( 的温度调节范围应使得本征半导体晶片O)的等离子体频率能够随着温度变化大于和小于所传播的表面等离子体波频率。
2.一种如权利要求1所述的太赫兹表面等离子体波温度控制开关的控制方法，其特征在于采用刀片( 将太赫兹波(1)转化为太赫兹表面等离子体波(4)以及将导通的太赫兹表面等离子体波(4)转化为太赫兹波(1)，太赫兹波(1)以一定角度入射到其中一个刀片 (3)的刀口处从而实现最大的耦合效率；通过温度控制器( 控制本征半导体晶片(2)温度，从而改变该本征半导体O)的载流子浓度；当半导体O)的载流子浓度改变时，它的等离子体频率也跟着改变，从而它的介电常数将会改变；当太赫兹表面等离子体波的频率大于本征半导体晶片( 的等离子体频率时，该半导体( 表现为介质特性，其介电常数实部为正；当太赫兹表面等离子体波的频率小于本征半导体晶片(2)的等离子体频率时，该半导体(2)表现为金属特性，其介电常数实部为负，由于太赫兹表面等离子体波(4) 只能在介电常数符号相反的两种介质分界面传播，所以当半导体( 表现为金属特性时太赫兹表面等离子体波(4)可以在半导体( 表面传播，而当半导体( 表现为介质特性时太赫兹表面等离子体波(4)不能在半导体(2)表面传播，从而实现了开关的功能。
3.如权利要求2所述的太赫兹表面等离子体波温度控制开关的控制方法，其特征在于所述的控制开关置于一般空气中，或放置在真空或充氮气的环境中，防止当用温度控制器降低温度时，空气中的水蒸气以及凝结在本征半导体(2)表面的水珠吸收太赫兹波影响开关效果。
全文摘要
太赫兹表面等离子体波温度控制开关及控制方法涉及到一种太赫兹表面等离子体波温度控制装置，和利用本征半导体等离子体频率随温度变化的特性调制太赫兹表面等离子体波的一种方法。该开关包括一个等离子体频率在常温下处于太赫兹波段的本征半导体晶片(2)、两个平行放置的刀片(3)、以及一个温度控制器(5)，两个刀片(3)垂直于本征半导体晶片(2)，两个刀片(3)的刀口离本征半导体晶片(2)上表面的距离小于最大频率的太赫兹表面等离子体波(4)在空气中的衰减距离，采用刀片(3)将太赫兹波转化为太赫兹表面等离子体波，以及过程相反的转化，通过温度控制器(5)控制本征半导体晶片(2)温度，从而改变该本征半导体的载流子浓度。
文档编号H01P1/15GK102176521SQ20101057829
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者仪明东, 何浩培, 李兴鳌, 杨涛, 黄维 申请人:南京邮电大学