应用于太赫兹探测器的宽带减反结构设计
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作者:
作者单位:

1.上海科技大学物质科学与技术学院;2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

TN386; O435

基金项目:

国家重点研发计划 (2023YFB3207802), 国家自然科学基金(61975227), 苏州市科技发展计划项目(SYC2022090).


A Broadband Anti-reflection Structure for Terahertz Detectors
Author:
Affiliation:

Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics SINANO,Chinese Academy of Science

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    摘要:

    在太赫兹波段,高阻硅和蓝宝石因其低吸收率、高电阻率和低光谱色散特性通常用于太赫兹探测器的衬底材料。然而,衬底材料的高折射率特性导致入射的大部分太赫兹波都会在界面处反射,降低了入射波的透过率,也会引发法布里-珀罗谐振腔效应,进一步限制了太赫兹探测器的工作带宽和灵敏度。为了降低太赫兹波在界面的反射,本文提出了一种减反射结构,该结构可使得反射波之间干涉相消,进而提升探测器的性能。通过MATLAB中的传输矩阵法 (TMM) 和电磁场仿真中时域有限差分法 (FDTD) 分析,选择了Mylar/Al2O3/AlN三层结构作为太赫兹波段的减反射结构。仿真结果表明该组合可以在275 ~ 405 GHz范围内保持低于-20 dB的反射率,应用该减反结构的太赫兹探测器在340 GHz下-3 dB带宽提升了50 GHz以上,响应度提升了3.2倍。该结构成功地提升了太赫兹探测器的工作带宽和灵敏度,且制备简单、成本低,为太赫兹波段的宽带减反提供了经济有效的解决方法。

    Abstract:

    In the terahertz band, high-resistivity silicon and sapphire are used as substrate materials for terahertz devices due to their low absorption, high resistivity and low spectral dispersion properties. However, their high refractive index properties result in most of the incident terahertz waves being reflected at the interface, leading reduced transmittance of the incident wave and potential Fabry-Perot resonant cavity effect, which limits the operating bandwidth of the terahertz device and also affects its sensitivity. In order to reduce the reflection of terahertz waves at the interface, this thesis proposes a broadband anti-reflection structure, which can make the interference between the reflected waves phase-canceled, and thus improves the performance of the detector. Through TMM method in MATLAB and finite-difference method in time-domain (FDTD) analysis in electromagnetic simulation, the Mylar/Al2O3/AlN three-layer structure is selected as the anti-reflection structure in the terahertz range. The simulation results show that this combination can maintain the reflectivity lower than -20 dB in the range of 275 ~ 405 GHz. Furthermore, the terahertz detector applying this anti-reflection structure exhibits a -3 dB bandwidth enhancement of more than 50 GHz and a 3.2-fold increase in responsivity at 340 GHz. The structure successfully enhances the operating bandwidth and sensitivity of the detector through a straightforward and cost-effective fabrication process, providing an economical and effective solution for broadband reflection reduction in the terahertz band.

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  • 收稿日期:2024-03-27
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