CN102904068A - 基于边入射光混频器的THz天线阵列 - Google Patents

Abstract

一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：一1×N分光器、N个边入射光混频器和N个THz天线，其中每一边入射光混频器的电极连接一个THz天线，每一边入射光混频器通过无源波导与1×N分光器相连接；其中频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器的输入端输入，在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器中，在边入射光混频器中混频，所产生的THz信号由THz天线发射出去，该N个THz天线信号可以实现相干叠加。本发明可以得到高性能THz天线阵列器件。

Description

基于边入射光混频器的THz天线阵列

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种基于边入射光混频器的THz天线阵列。

背景技术

频率在0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波被称为太赫兹(THz)波。由于其在电磁波谱中的特殊位置，THz波在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、无线通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。THz波的产生是THz科学技术发展和应用的关键。在众多种类的THz源中，基于半导体光混频器件的THz源同时具有低成本、结构紧凑、室温工作等优点，有助于促进THz技术在科研及日常生活中的普及应用，近年来受到越来越多的关注。在这种THz源中，两束不同频率的光在半导体混频器中混频，所产生的THz信号由与混频器电极相连接的THz天线发射出去。

对有限的单元天线输出功率，制作天线阵列是大幅度提高THz波输出功率的有效途径。假设位于r_j处的阵列单元的电场为：

其中

为相对相位。如果驱动光束在各个阵列单元间的光程差远小于光源的相干长度，则每个阵列单元的辐射彼此相干(由于可用做光源的DFB激光器的线宽在MHz数量级，其相干长度长达数米，所以这个要求很容易满足)。如果在空间

处所有的阵列单元辐射的相位都为2π的整数倍，即

则各个阵列单元的辐射发生相长干涉，总强度为，

$I_{\mathrm{tot}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)={\left|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{\stackrel{\→}{E}}_j(\stackrel{\→}{r},t)\right|}^2={\left|e^{-\mathrm{i\ωt}}{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{E}_{0,j}(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_j)\right|}^2$

$={|{\mathrm{\Σ}}_{j=0}^N{E}_{0,j}(\stackrel{\→}{r}-{\stackrel{\→}{r}}_j)}^2.$

如果每个阵列单元的辐射强度相等，则

所以，对于由N个单元组成的阵列天线，辐射强度增加了N×N倍，而不只是N倍。

Preu等人(S.Preu，et al.，Proc.SPIE 6194，(2006)13)和Shimizu等人(N.Shimizu，et al.，IEEE Photonics Technology Letters，18(2006)743)分别制作了基于低温GaAs光电导开关的3×3单元THz源阵列和基于面入射单行载流子探测器(UTC-PD)的3×3单元THz天线阵列。相关测试实验表明，虽然单片集成THz阵列的辐射强度较单元器件有所增加并且波束变窄，但是远未到达理论预期的结果。在上述基于面入射UTC-PD的THz阵列辐射源中，泵浦光通过1∶9星形耦合器分成九份之后分别垂直照射9个天线单元。星形耦合器功率分配不均匀以及光纤与UTC-PD对准困难使阵列天线优点无法充分发挥。在上述基于GaAs光电导开关的THz阵列辐射源中，微透镜阵列被用来将在自由空间中传输的激发光聚焦到阵列单元，由于难于将透镜焦点与阵列单元对准并且微透镜参数存在误差，阵列单元接收到的辐射强度也很不均匀，严重限制了阵列性能的提高。

可见，单元混频器件的面入射方式使泵浦光很难被均匀的分配和高效的利用，是导致单片集成THz阵列辐射源性能不佳的主要原因。为了得到高性能阵列THz辐射源本专利提出一种基于边入射混频器的THz阵列辐射源，利用分光器将激发光均匀高效的输送到阵列单元。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种使泵浦光能够被均匀分配和高效利用的THz天线阵列制作方案，以得到高性能THz天线阵列器件。

本发明提供一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：

一1×N分光器、N个边入射光混频器和N个THz天线，其中每一边入射光混频器的电极连接一个THz天线，每一边入射光混频器通过无源波导与1×N分光器相连接；

其中频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器的输入端输入，在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器中，在边入射光混频器中混频，所产生的THz信号由THz天线发射出去，该N个THz天线信号可以实现相干叠加。

本发明公开的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其是利用分光器将激发光均匀高效的输送到各个阵列单元，可以显著的提高阵列THz天线的性能，由于采用单片集成技术制作，器件还具有体积小、功耗低可靠性好的优点。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，其中：

图1是本发明第一实施例的THz天线阵列结构示意图；

图2是本发明第二实施例凝视型THz天线阵列示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明提供一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：

一1×N分光器a、N个边入射光混频器b和N个THz天线c，其中每一边入射光混频器b的电极连接一个THz天线c，每一边入射光混频器b通过无源波导a₂与1×N分光器a相连接；

频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器a的输入端a₁输入，在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器b中，在边入射光混频器b中混频所产生的THz信号由THz天线c发射出去，该N个THz天线c的信号可以实现相干叠加。设双模泵浦光两个模式的频率分别为ω1和ω2，并且｜ω1-ω2｜＜ω1，ω2，则双模泵浦光在边入射光混频器b中混频产生一个频率为｜ω1-ω2｜的光电流，即THz波信号，由THz天线发c射出去。所产生的光电流如下式：

P1，P2为光功率，

为两种光的相位之差。

由于N个边入射光混频器b由经过分光器a分成N份的同一束泵浦光激发，N个THz天线c所产生的THz信号可以实现相干叠加，所以，对于由N个单元组成的阵列天线，辐射强度增加了N×N倍，而不只是N倍。1×N分光器a的使用可以使泵浦光被均匀高效的输送给THz天线c，结合边入射光混频器b的使用，使THz天线阵列的性能得到显著地提高。

其中在1×N分光器a和每一个边入射光混频器b之间的无源波导a₂上还制作有一电极d(参阅图2)。通过电流注入可以改变无源波导a₂材料的有效折射率，进而改变泵浦光在各个THz天线c间的光程差，构成凝视型THz天线阵列。

其中所述边入射光混频器b是边入射光电导开关，或是边入射pin型光电探测器，或是边入射单行载流子型光电探测器。

其中所述THz天线c是共振型窄带天线或者是宽带天线。

其THz天线c的排布形式，是线阵列或者是面阵列。

其中THz天线c阵列输出的THz波是脉冲波或者连续波，频率在0.01THz-20THz之间。

其中N个边入射光混频器b和N个THz天线c的个数N大于等于2。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案范围内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：

一1×N分光器、N个边入射光混频器和N个THz天线，其中每一边入射光混频器的电极连接一个THz天线，每一边入射光混频器通过无源波导与1×N分光器相连接；

其中频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器的输入端输入，在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器中，在边入射光混频器中混频，所产生的THz信号由THz天线发射出去，该N个THz天线信号可以实现相干叠加。

2.根据权利要求1所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中在1×N分光器和每一个边入射光混频器之间的无源波导上还制作有一电极。

3.根据权利要求1所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中所述边入射光混频器是边入射光电导开关，或是边入射p in型光电探测器，或是边入射单行载流子型光电探测器。

4.根据权利要求1所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中所述THz天线是共振型窄带天线或者是宽带天线。

5.根据权利要求4所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中THz天线的排布形式，是线阵列或者是面阵列。

6.根据权利要求5所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中THz天线阵列输出的THz波是脉冲波或者连续波。

7.根据权利要求1所述的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其中N个边入射光混频器和N个THz天线的个数N大于等于2。

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