CN101713687B - 一种太赫兹波段的无线发射接收装置及其发射接收方法 - Google Patents

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本发明公开了一种太赫兹波段的无线发射接收装置及其发射接收方法，其包括：发射端(第一冷头、太赫兹量子级联激光器及第一聚乙烯窗片)、光路部分(两个离轴抛物镜和大气)和接收端(第二冷头、太赫兹量子阱探测器及第二聚乙烯窗片)。本发明的优点在于：选择了目前尚未分配使用的电磁波频段进行电磁波的发射接收，且大气对所选频点电磁波的吸收相对较弱，从而减小了太赫兹波传播过程中的衰减损耗；发射端采用了能量转换效率高、体积小、易集成且可长期工作和大规模生产的半导体量子级联激光器；接收端采用了体积小、稳定可靠且可大规模生产的半导体量子阱探测器；所采用的半导体激光器和探测器均具有高频工作特性，适于未来的太赫兹通信应用。

Description

一种太赫兹波段的无线发射接收装置及其发射接收方法
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波段的无线发射接收装置，特别涉及基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器的无线发射接收装置及其发射接收方法。
背景技术
太赫兹(THz，1THz＝1012Hz)波段是指频率介于红外与毫米波之间的一段电磁波区域，人们称之为“THz空隙”。近年来，THz技术及其应用发展迅速，作为THz波段重要辐射源的太赫兹量子级联激光器(THz QCLs)得到了广泛而深入的研究，并取得了重要的进展，它具有能量转换效率高、体积小、易集成、被调制速率快以及使用寿命长等特点。太赫兹量子阱探测器(THz QWPs)是量子阱红外探测器(QWIPs)在THz波段的扩展，具有体积小、易集成和响应速率快等特点。到目前为止，THz QCLs的最高工作温度为脉冲模式下186K、连续模式下117K，在最优的工作条件下其最高输出功率可达250mW(脉冲模式)和130mW(连续模式)，最低工作频率为1.2THz，在磁场辅助下可达0.68THz；THz QWPs的峰值响应频率可以覆盖2-7THz，响应率为0.4-1.0A/W(与中红外量子阱探测器的响应率相当)，最高工作温度在30-40K范围内。随着上述两种器件工作性能的快速发展，关于上述器件的应用倍受关注。目前THz QCLs已经成功应用于亚毫米波段外差接收的局域振荡源、THz波实时成像等THz技术中，THz QWPs主要应用于THz波段的快速响应探测器以及时间分辨光谱等技术中。
目前基于THz波的无线通信研究主要集中在低频段范围，约0.1-0.4THz。由于缺乏有效的THz辐射源和探测器，目前在1-10THz频率范围内进行THz无线通信仍然比较困难。从潜在的通信带宽来看，1-10THz的发射和接收器件比频率小于1THz的器件更具优势，前者的通信带宽理论上可高达1THz(即1000GHz)。随着人们对高速大容量无线通信的需求，发展基于THz波的无线通信技术具有很重要的实际意义。另外，早在2007年就有人提出采用基于THz QCL和THz QWP作为THz无线通信的发射和接收装置将使得未来THz通信的成本大大降低。因此，研究基于上述两种器件的发射接收过程拓展了其在THz波段的应用，也为未来实现1-10THz波段的无线通信奠定基础，进而有望填补国内在该波段范围内进行无线通信的空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种太赫兹波段的无线发射接收装置及其发射接收方法，以适合未来的太赫兹通信应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其包括：发射端、光路部分及接收端；
所述发射端包括：第一冷头、安装于所述第一冷头内的第一热沉、安装于第一热沉上的太赫兹量子级联激光器，以及第一聚乙烯窗片；所述第一聚乙烯窗片安装于所述第一冷头上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹波通过第一聚乙烯窗片射出；
所述光路部分包括：第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜；所述第一离轴抛物镜接收经所述第一聚乙烯窗片射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端；
所述接收端包括：第二冷头、安装于所述第二冷头内的第二热沉、安装于第二热沉上的太赫兹量子阱探测器，以及第二聚乙烯窗片；所述第二聚乙烯窗片安装于所述第二冷头上使所述太赫兹量子阱探测器通过第二聚乙烯窗片接收所述第二离轴抛物镜反射过来的太赫兹波。
进一步地，所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为2-7THz，优选为4.13THz；所述太赫兹量子阱探测器的频率响应范围为2-7THz，优选为3.1-4.7THz。
进一步地，所述太赫兹量子级联激光器的有源区通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成。优选地，所述太赫兹量子级联激光器的有源区为四阱共振声子结构，其共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料。
进一步地，所述太赫兹量子阱探测器为光电导型探测器，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成。优选地，所述太赫兹量子阱探测器的有源区总共有23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的一层GaAs和一层Al0.015Ga0.985As材料。
进一步地，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均采用高强度聚乙烯(HDPE)材料。
进一步地，所述第一聚乙烯窗片和第二聚乙烯窗片均通过将灌制的高强度聚乙烯圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成。
进一步地，所述第一离轴抛物镜和第二离轴抛物镜均为镀金反射面。
另外，本发明还提供了上述太赫兹波段的无线发射接收装置的发射接收方法，其包括如下步骤：
步骤一，给太赫兹量子级联激光器施加一个驱动电压或电流，使其辐射出太赫兹波，所述太赫兹波经过第一聚乙烯窗片后到达第一离轴抛物镜上；
步骤二，所述第一离轴抛物镜接收经所述第一聚乙烯窗片射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜；所述第二离轴抛物镜接收经所述第一离轴抛物镜反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端的第二聚乙烯窗片上；
步骤三，经第二聚乙烯窗片射入的太赫兹波被会聚到太赫兹量子阱探测器的敏感面上，致使所述太赫兹量子阱探测器内部产生相应的光电流；然后对所述光电流的变化情况进行分析，从而得知所述太赫兹波的变化情况，进而完成上述太赫兹波的发射和接收。
综上所述，本发明通过选择光谱匹配的太赫兹激光器和探测器、空气透过率相对较好的THz频点、透过率很好的聚乙烯窗片以及反射率非常高的镀金离轴抛物镜，提出了基于上述组件的太赫兹频段电磁波信号的无线发射接收装置。本发明有如下积极效果和优点：
(1)通过比较太赫兹量子级联激光器的发射谱和太赫兹量子阱探测器的光响应谱，从光谱的角度验证了太赫兹量子阱探测器用于探测太赫兹量子级联激光器激光辐射的可行性，并首次提出了基于上述两种器件的太赫兹波无线发射接收方法。
(2)本发明中所采用的半导体激光器和探测器均具有潜在的高频工作特性，适合于未来的太赫兹通信应用；另外，本发明中涉及的其它各组件在太赫兹波段均有很好的特性，有望在未来的太赫兹无线通信研究中得到积极的应用。
附图说明
以下是对本发明涉及的各示意图的阐述。
图1为本发明基于太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器无线发射接收装置示意图。
图2为太赫兹量子阱探测器光响应谱与太赫兹量子级联激光器光发射谱的对比。
图3为RH47％的相对湿度环境下，厚度为1480mm的大气在太赫兹波段的透射谱。
图4为厚度分别是1.8mm和5.0mm的聚乙烯窗片在太赫兹波段的透射谱。
图5为本发明装置的太赫兹波无线发射接收过程中太赫兹量子级联激光器的外加偏压信号波形和太赫兹量子阱探测器对相应太赫兹波信号的响应信号波形。
图1中的标记说明如下：
A发射端
1第一冷头
2第一热沉
3第一聚乙烯窗片
B光路部分
4第一离轴抛物镜
5第二离轴抛物镜
C接收端
6第二聚乙烯窗片
7第二热沉
8第二冷头
具体实施方式
本发明公开的一种太赫兹波段的无线发射接收装置中，所采用的太赫兹量子级联激光器的激射频率可以为2-7THz，太赫兹量子阱探测器的频率响应范围可以为2-7THz。下面将以激射频率为4.13THz的太赫兹量子级联激光器和频率响应范围为3.1-4.7THz的太赫兹量子阱探测器作为优选的实施例，对本发明的具体实施方式作详细介绍，发明装置的各组成部分见图1。其中包括发射端A、光路部分B和接收端C。
1.发射端A的组成
发射端A包括：第一冷头1、安装于所述第一冷头1内的第一热沉2、安装于第一热沉2上的太赫兹量子级联激光器，以及第一聚乙烯窗片3；所述第一聚乙烯窗片3安装于所述第一冷头1上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹波通过第一聚乙烯窗片3射出。
其中，所述的热沉均为铜质材料，在低温技术领域常用于微型器件的导热和散热。所述太赫兹量子级联激光器的有源区为“四阱共振声子”结构，采用分子束外延的方法在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/Al0.15Ga0.85As多量子阱结构而形成，有源区总共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料，器件尺寸为1mm×40μm(长×宽)，激射频率为4.13THz，辐射功率为5mW，器件工作时的温度为10K，驱动电流为0.412A(对应电压为12.0V)。该激光器的特点在于：能量转换效率高、体积小、易集成、被调制速率快且可以长期工作和大规模生产。提供低温环境的第一冷头1为闭循环脉冲管式低温制冷机(美国ARS公司)的一部分，其最低温度可以达到9K；第一聚乙烯窗片3为高强度聚乙烯(HDPE)材料，窗片通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成，直径60mm，厚度为5.0mm，其对4.13THz波的透过率为56％(见图4)。
2.光路部分B的组成
光路部分B包括：第一离轴抛物镜4和第二离轴抛物镜5；所述第一离轴抛物镜4接收经所述第一聚乙烯窗片3射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜5；所述第二离轴抛物镜5接收经所述第一离轴抛物镜4反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端C。
其中，光路部分B还包括所述太赫兹波所经过的大气组成。第一离轴抛物镜4和第二离轴抛物镜5的焦距均为101.6mm，均为镀金反射面，其对4.13THz电磁波的反射率均为98％；上述太赫兹波所经过的大气距离为300mm，根据相同相对湿度(RH47％)下对1480mm厚度大气透过率(T)的测量结果(见图3)以及透过率与介质厚度(L)的关系(T ∝e-αL，α为吸收系数)，计算得到300mm厚度的大气对4.13THz电磁波的透过率为87％。
3.接收端C的组成
接收端C包括：第二冷头8、安装于所述第二冷头8内的第二热沉7、安装于第二热沉7上的太赫兹量子阱探测器，以及第二聚乙烯窗片6；所述第二聚乙烯窗片6安装于所述第二冷头8上使所述太赫兹量子阱探测器通过第二聚乙烯窗片6接收所述第二离轴抛物镜5反射过来的太赫兹波。
其中，所述太赫兹量子阱探测器为光电导型探测器，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/Al0.015Ga0.985As多量子阱的方式形成，有源区总共有23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的一层GaAs和一层Al0.015Ga0.985As材料，器件尺寸为800μm×800μm(长×宽)，频率响应范围为3.1-4.7THz，峰值响应频率为3.22THz，其在4.13THz处的响应幅度为67％(见图2)，器件工作时的温度为3.15K，对应峰值响应率为0.4A/W，外加偏压为19.8mV。该探测器的特点在于：体积小、稳定可靠且可大规模生产，响应速率快，频率响应范围覆盖了激光器的激射频率范围，且远远大于后者。提供低温环境的第二冷头7为闭循环脉冲管式低温制冷机(英国Oxford公司)的一部分，其最低温度可以达到3K；第二聚乙烯窗片6为高强度聚乙烯(HDPE)材料，窗片通过对灌制的HDPE圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成，直径35mm，窗片厚度为1.8mm，其对4.13THz波的透过率为75％(见图4)。
本装置发射和接收所涉及的电磁波频率位于太赫兹波段，具体为4.13THz，且大气对该频点下的电磁波吸收较弱；另外还采用了光谱相匹配的太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器，以及对太赫兹波吸收较弱的聚乙烯材料作为窗片。
太赫兹波的无线发射接收方法，包括如下步骤：
步骤一，给安装于发射端A第一热沉2上的太赫兹量子级联激光器施加周期为4s的方波电压信号(见图5)后，所述太赫兹量子级联激光器辐射出周期也为4s的太赫兹波(相应频率为4.13THz)。具有周期变化的太赫兹波经过第一聚乙烯窗片3后到达第一离轴抛物镜4上。
步骤二，所述第一离轴抛物镜4接收经所述第一聚乙烯窗片3射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜5；所述第二离轴抛物镜5接收经所述第一离轴抛物镜4反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端C的第二聚乙烯窗片6上；
步骤三，经第二聚乙烯窗片6射入的太赫兹波被会聚到太赫兹量子阱探测器的敏感面上，感应到周期变化的太赫兹波之后，所述太赫兹量子阱探测器内部产生相应的光电流变化(见图5)；通过对上述光电流变化的分析，可得知入射太赫兹信号的变化情况(如周期、幅度等)，进而完成上述太赫兹波的发射和接收。
本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (11)

1.一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于，其包括：发射端(A)、光路部分(B)及接收端(C)；
所述发射端(A)包括：第一冷头(1)、安装于所述第一冷头(1)内的第一热沉(2)、安装于第一热沉(2)上的太赫兹量子级联激光器，以及第一聚乙烯窗片(3)；所述第一聚乙烯窗片(3)安装于所述第一冷头(1)上使所述太赫兹量子级联激光器发射出的太赫兹波通过第一聚乙烯窗片(3)射出；
所述光路部分(B)包括：第一离轴抛物镜(4)和第二离轴抛物镜(5)；所述第一离轴抛物镜(4)接收经所述第一聚乙烯窗片(3)射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜(5)；所述第二离轴抛物镜(5)接收经所述第一离轴抛物镜(4)反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端(C)；
所述接收端(C)包括：第二冷头(8)、安装于所述第二冷头(8)内的第二热沉(7)、安装于第二热沉(7)上的太赫兹量子阱探测器，以及第二聚乙烯窗片(6)；所述第二聚乙烯窗片(6)安装于所述第二冷头(8)上使所述太赫兹量子阱探测器通过第二聚乙烯窗片(6)接收所述第二离轴抛物镜(5)反射过来的太赫兹波。
2.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为2-7THz；所述太赫兹量子阱探测器的频率响应范围为2-7THz。
3.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的激射频率为4.13THz；所述太赫兹量子阱探测器的频率响应范围为3.1-4.7THz。
4.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的有源区通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长 GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成。
5.根据权利要求4所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子级联激光器的有源区为四阱共振声子结构，其共有178个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的四层GaAs和四层Al0.15Ga0.85As材料。
6.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器为光电导型探测器，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs/AlGaAs多量子阱的方式形成。
7.根据权利要求6所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器的有源区总共有23个周期结构，每个周期结构内包含交替生长的一层GaAs和一层Al0.015Ga0.985As材料。
8.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述第一聚乙烯窗片(3)和第二聚乙烯窗片(6)均采用高强度聚乙烯材料。
9.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述第一聚乙烯窗片(3)和第二聚乙烯窗片(6)均通过将灌制的高强度聚乙烯圆柱形材料进行切割、研磨和抛光而成。
10.根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置，其特征在于：所述第一离轴抛物镜(4)和第二离轴抛物镜(5)均为镀金反射面。
11.一种根据权利要求1所述一种太赫兹波段的无线发射接收装置的发射接收方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，给太赫兹量子级联激光器施加一个驱动电压或电流，使其辐射出太赫兹波，所述太赫兹波经过第一聚乙烯窗片(3)后到达第一离 轴抛物镜(4)上；
步骤二，所述第一离轴抛物镜(4)接收经所述第一聚乙烯窗片(3)射出的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至第二离轴抛物镜(5)；所述第二离轴抛物镜(5)接收经所述第一离轴抛物镜(4)反射过来的太赫兹波，并使该太赫兹波反射至所述接收端(C)的第二聚乙烯窗片(6)上；
步骤三，经第二聚乙烯窗片(6)射入的太赫兹波被会聚到太赫兹量子阱探测器的敏感面上，致使所述太赫兹量子阱探测器内部产生相应的光电流；然后对所述光电流的变化情况进行分析，从而得知所述太赫兹波的变化情况，进而完成上述太赫兹波的发射和接收。 
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