碳纳米管光混频器产生太赫兹功率的理论分析VIP免费

物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．7(2014)077201碳纳米管光混频器产生太赫兹功率的理论分析冰贾婉丽十赵立侯磊{纪卫莉施卫屈光辉(西安理工大学理学院，西安710054)(2013年11月9日收到；2013年12月23日收到修改稿)以光混频器电路模型为基础，理论分析了碳纳米管(CNT)材料光混频器产生太赫兹功率的大小．通过对光混频器电导、天线的阻抗和外加偏置电压的模拟结果表明：提高光混频器电导、天线阻抗和外加偏置电压都能够提高输出太赫兹波功率，在小信号输入条件下，输出功率理论上能够达到数十微瓦．关键词：碳纳米管(CNT)，光混频器，太赫兹功率PACS：72．40．+w．81．O7．DeDOI：10．7498／aps．63．0772011引言太赫兹频段是指0．1—1OTHz，波长在毫米波和亚毫米波级别．由于太赫兹技术有着潜在的应用价值，太赫兹技术在光学、电子学和超快光电子学技术方面都有较快的发展[1]_与此同时，通过光电导混频的方法已经应用于太赫兹信号的产生．1995年，Brown等【0]利用两束激光在低温生长的砷化镓光电导天线上混频，产生了连续的太赫兹辐射．碳纳米管作为新兴的纳米材料，也开始应用于太赫兹波段辐射特性的研究．2009年Wang等【3】研究了扶手椅型碳纳米管偶极天线在太赫兹波段的辐射特性，指出通过碳纳米管阵列可以提高输出功率和效率．2010年，w_u等[J通过碳纳米管天线和天线阵列模型研究了锯齿型单壁碳纳米管偶极天线在太赫兹区域的辐射特性．2012年，Heshmat等[5]研究了基于碳纳米管的太赫兹探测光电导开关的评估能力和局限性．2013年，Ren等[6]研究了碳纳米管阵列在太赫兹和红外波段响应的天线效应．目前能够产生大功率的连续太赫兹波设备只有一些大型的设备，比如气体激光器等，而相同输出功率的小型化便携式的连续太赫兹辐射源尚不}国家自然科学基金(批准号：61007060，61177057)资助的课题十通讯作者．E-mail：jiawanli@xaut．edu．ca{通讯作者．E—mail：houleixaut@hotmail．com@2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety多见[7，81．CNT是由碳原子六角点阵二维石墨片绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝管状结构，由于电子的量子限域效应，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制，所以使CNT具有独特的电学性质，以及良好的导电性、化学稳定性和吸光性，使得其成为电子或空穴传递的多功能纳米材料，越来越多地用于光电转换材料和器件，CNT材料被认为是一种高效的太赫兹辐射源材料【9_12]．本文，将从光混频器的电路模型出发，分析和模拟影响碳纳米管光混频输出功率的主要参数，揭示了光混频器电导、天线阻抗和外加偏置电压对输出功率的影响．2光混频器电路模型光混频器是将具有差频的两束光，通过非线性介质进行混频，进而产生具有差频光束的一种器件．如图1，当入射两柬频率为，1和。的激光经过混频器，通过半导体介质的调制f介质的吸收和载流子寿命的改变)输出光频率为．．输出的频率等于两输入光频之差，即fT．=I'i—f2．对入射光通过光混频器的光敏材料来吸收混频，出射结构部分Mtp：／／wulixb．印hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．7(2014)077201通过天线将差频光向外辐射．光混频器的工作电路模型如图2所示．在光混频器模型中，RI是天线的阻抗；GP是光混频器的电导；Rs是接触电阻；C是天线电极间电容．光混频器的偏置电压通过一个稳定的直流电压源来调制[1引．|fCNTI衬底图1碳纳米管光混频器示意图图2光混频模型的原理电路由文献[9]可知，在小信号输入条件下，利用光学混频的方法产生THz电磁波，光混频器电导和输出功率为Gp=r]etpoTe#e+)，G。=~letpoTe#eP=0．5(VBGo)RL／[1+7-】×[1+(wRLC)]，(3)其中，Go为GP的系数部分，77。是外量子效率，。是载流子迁移率，t是入射光功率在介质表面的透射率，e是电子电荷，h，a、，。是平均光子能量，7_是载流子寿命，P1，P2是两束输入光的平均光功率，Po=P1+P2是激发光混频器的平均光功率，输入两束激光功率可调，m是一个常量和两束激光的入射时耦合效率有关，Z是CNT的管长．3模拟与分析CNT具有高的光吸收率、弹道输运和高的热导率，对于不同太赫兹装置有着潜在的应用价值[14,15】．特别是...