CN109149322B

CN109149322B - THz天线及其制作方法

Info

Publication number: CN109149322B
Application number: CN201710499946.0A
Authority: CN
Inventors: 梁松; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: CN109149322A

Abstract

本发明提供了一种THz天线制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、波导层及间隔层；选择性去除衬底上增益区的间隔层后生长量子阱材料层；选择性去除衬底上增益区外的量子阱材料层；选择性去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料层；选择性去除衬底上混频器区外的混频器材料层，并选择性去除衬底上相位区内的间隔层后生长接触层，制备THz天线材料；利用所制备的THz天线材料制作所述THz天线。本发明还提供了一种THz天线。本发明THz天线及其制作方法，将多种功能光电子器件制作于同一衬底之上，有效提高了整个系统性能。

Description

THz天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种THz天线及其制作方法。

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，

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。

目前报道的混频THz天线系统均采用分立器件搭建，例如利用光纤将泵浦光源的发光耦合输出并输入至混频THz天线，并根据系统的实际需要在光纤链路中引入分立的光放大器或相位调制器。这样的系统部件多、功耗大、稳定性差，限制了其广泛应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种THz天线及其制作方法，其为混频THz天线，通过单片集成制作方法，将多种功能光电子器件制作于同一衬底之上，可有效提高整个系统性能。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种THz天线制作方法，包括：

在一衬底上依次生长缓冲层、波导层及间隔层；

选择性去除衬底上增益区的间隔层后生长量子阱材料层；

选择性去除衬底上增益区外的波导区、相位区及混频器区的量子阱材料层；

选择性去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料层；

选择性去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料层，并选择性去除衬底上相位区内的间隔层后生长接触层，完成THz天线材料制备；

利用所制备的THz天线材料，分别在波导区形成无源波导，在增益区形成泵浦激光器或结合增益区和相位区材料形成泵浦激光器，在增益区形成光放大器，在相位区形成相位调制器，在混频器区形成混频器、天线后完成所述THz天线制作。

根据本发明的另一个方面，提供了一种THz天线制作方法，包括：

在一衬底上生长缓冲层及量子阱材料层；

选择性去除衬底上增益区外的波导区、相位区及混频器区的量子阱材料层后对接生长波导层及间隔层材料；

选择性去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料，并选择性去除衬底上相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

在一衬底上生长缓冲层、量子阱材料层、间隔层及注入层；

利用量子阱混杂技术使衬底上除增益区外的波导区、相位区及混频器区的量子阱材料发光波长蓝移；

去除间隔层材料上的注入层材料；

选择性去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料；

选择性去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料，并选择性去除衬底上增益区及相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

在一些实施例中，还包括：在增益区、相位区、混频器区及波导区制作波导；在增益区、相位区及混频器区制作电极。

在一些实施例中，在器件增益区内制作光栅，形成分布反馈激光器结构；或将光栅制作于相位区内，与所述增益区共同形成分布布拉格光栅可调谐激光器结构。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种THz天线，其采用所述的THz天线制作方法形成，包括：泵浦激光器、相位调制器、无源波导、光放大器、混频器及天线。

在一些实施例中，所述激光器为双波长激光器，采用串列式或并列式连接，其包括固定波长激光器或波长可调谐激光器；所述相位调制器通过电流注入或对波导加热的方式实现对光相位的调整；所述混频器为单行载流子探测器、pin探测器或光电导开关。

在一些实施例中，所述双波长激光器为直接调制激光器或者外调制激光器。

在一些实施例中，该THz天线还包括分光器和合波器，二者均采用所述无源波导区材料形成；所述并列式双波长激光器发出的两个不同波长的光分别被1×N分光器均匀的分成N份，不同波长的光利用合波器两两合波后分别输入并泵浦所述N个光混频器；在合波之前两个波长的泵浦光之一经相位调制器调制以改变两个泵浦光之间的相位差，N大于等于2。

在一些实施例中，该THz天线为单元THz天线或阵列THz天线。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明THz天线及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用单片集成技术将多种功能光电子器件制作于同一衬底之上，可以有效减小混频THz天线系统体积、降低系统复杂度，并提高系统可靠性。

(2)THz天线及其制作方法，结构简单，工艺易于实施，可显著的提高阵列THz天线的性能。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的装置。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为依据本发明第一实施例THz天线制作方法流程图。

图2为依据本发明第一实施例THz天线半导体材料的结构生长示意图。

图3为依据本发明第二实施例THz天线制作方法流程图。

图4为依据本发明第二实施例THz天线半导体材料的结构生长示意图。

图5为依据本发明第三实施例THz天线制作方法流程图。

图6为依据本发明第三实施例THz天线半导体材料的结构生长示意图。

图7为依据本发明实施例单元THz天线示意图。

图8为依据本发明实施例阵列THz天线示意图。

图9为依据本发明实施例阵列THz天线激光器制作示意图。

图10为依据本发明实施例阵列THz天线激光器另一制作示意图。

图11为依据本发明实施例阵列THz天线串列式激光器的结构示意图。

图12为依据本发明实施例阵列THz天线并列式激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种THz天线及其制作方法，通过单片集成制作方法，将泵浦光源、光放大器、相位调制器、光混频器等多种功能光电子器件制作于同一衬底之上，有效提高了整个系统性能。

一、第一实施例

图1为本发明的第一实施例THz天线制作方法流程图，如图1所示，本实施例THz天线制作方法，包括：

选择一衬底；

在衬底上依次生长缓冲层、波导层及间隔层；

选择性去除衬底上增益区的间隔层后大面积生长量子阱材料层；

选择性去除衬底上增益区外的量子阱材料层；也即去除波导区、相位区及混频器区上的量子阱材料层；

选择性去除衬底上混频器区的间隔层材料后大面积生长混频器材料层；

选择性去除衬底上混频器区外的混频器材料层，也即去除增益区、波导区及相位区的混频器材料层；并选择性去除衬底上相位区内的间隔层后生长接触层，完成THz天线材料制备；

另外，在增益区、相位区、混频器区及无源波导区都可制作波导；在除无源波导区之外的各区(增益区、相位区、混频器区)都可制作电极。

下面结合附图2详细介绍依据本发明的第一实施例THz天线半导体材料的结构生长实例。本实例采用基于InP基材料的THz天线进行说明。

在InP衬底10上依次生长InP缓冲层20，InGaAsP波导层30及InP间隔层40，如图2(a)所示。InGaAsP波导层的发光波长较器件工作波长短，以减小光的传输损耗。选择性去除器件增益区A内的InP间隔层40后大面积生长InGaAsP量子阱层50。随后选择性去除A区域外的量子阱材料50，获得的材料结构，如图2(b)所示。去除量子阱材料50可以用干法刻蚀也可以采用湿法腐蚀，采用湿法腐蚀时可以在量子阱50生长之前先大面积生长一薄层InP作为腐蚀停止层。选择性去除器件混频器区M内的InP间隔层40。大面积生长混频器材料60后选择性去除M区以外的混频器材料60，获得的材料结构，如图2(c)所示。选择性去除相位区P内的InP间隔层40后大面积生长接触层材料70，完成整个器件半导体材料结构的生长，如图2(d)所示；其中，所述接触层的材料为InP和/或InGaAs。

二、第二实施例

图3为本发明的第二实施例THz天线制作方法流程图，如图3所示，本实施例THz天线制作方法，包括：

选择一衬底；

在衬底上生长缓冲层及量子阱材料层；

选择性去除衬底上增益区外的量子阱材料层后对接生长波导层及间隔层材料；

选择性去除衬底上混频器区域的间隔层材料后大面积生长混频器材料层；

选择性去除衬底上混频器区域外的混频器材料，并选择性去除衬底上相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

下面结合附图4详细介绍依据本发明的第二实施例THz天线半导体材料的结构生长实例。本实例采用基于InP基材料的THz天线进行说明。

在InP衬底10上依次生长InP缓冲层20及InGaAsP量子阱层50，如图4(a)。选择性去除器件增益区A外的量子阱材料层50后对接生长InGaAsP波导层30及InP间隔层材料40，获得的材料结构如图4(b)所示。选择性去除器件混频器区域M的间隔层材料40后大面积生长混频器材料层60。选择性去除M区域外的混频器材料60，获得的材料结构如图4(c)所示。选择性去除相位区P内的InP间隔层40后大面积生长接触层材料70，完成整个器件半导体材料结构的生长，如图4(d)所示；其中，所述接触层的材料为InP和/或InGaAs。

三、第三实施例

图5为本发明的第三实施例THz天线制作方法流程图，如图5所示，本实施例THz天线制作方法，包括：

选择一衬底；

在衬底上生长缓冲层、量子阱材料层、间隔层材料及注入层材料；

利用量子阱混杂技术使衬底上除增益区外的量子阱材料发光波长蓝移；

去除间隔层材料上的注入层材料；

选择性去除衬底上混频器区的间隔层材料后大面积生长混频器材料；

选择性去除衬底上混频器区域外的混频器材料，并选择性去除衬底上增益区及相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

下面结合附图6详细介绍依据本发明的第三实施例THz天线半导体材料的结构生长实例。本实例采用基于InP基材料的THz天线进行说明。

在InP衬底10上依次生长InP缓冲层20、InGaAsP量子阱层50、InP间隔层40及InP注入层材料41，如图6(a)所示。为减小光在量子阱层50中传输的损耗，通过离子注入在器件除增益区A外的区域内的InP注入层材料41内引入缺陷，利用快速热退火引起缺陷的扩散进一步导致增益区A以外量子阱材料层50发光波长的蓝移(向短波方向移动)，这个过程就是所谓的量子阱混杂技术。大面积去除注入层材料41并选择性去除器件混频器区域M内的间隔层材料40后大面积生长混频器材料层60。选择性去除混频器区域M外的混频器材料60，获得的材料结构，如图6(b)所示。选择性去除器件增益区A及相位调制器区P内的间隔层材料后生长接触层材料70，如图6(c)所示。InP接触层材料70为InP和/或InGaAs材料，一般p型掺杂。器件中InP间隔层材料40仅存在于无源波导区W内，其不掺杂，将InGaAsP波导材料30与重掺杂的接触层材料70隔离开，有助于减小光传输损耗。混频器材料60可以为波导型单行载流子探测器结构、pin探测器结构或者光电导开关结构。在波导层30内或量子阱混杂处理后的量子阱层50内传输的光利用倏逝波耦合的方式进入混频器层60内被吸收转换成高频电信号并由与混频器电极相连的单片集成的THz天线发射出去。

另外，本发明实施例还提供了一种采用上述制作方法制作的THz天线，包括：泵浦激光器、相位调制器、无源波导、光放大器、混频器及天线。其中，所述THz天线可以仅有一个混频器及THz天线，即单元THz天线，如图7所示，也可以包括N个混频器及THz天线，即THz天线阵列，如图8所示，其中所述THz天线阵列中天线个数N大于等于2。

所述混频器可以为单行载流子探测器、pin探测器及光电导开关。

采用所述相位区材料用于制作的相位调制器，可以通过电流注入或对波导加热的方式实现对光相位的调整。

进一步的，所述双波长激光器可以为串列式连接或并列的两个激光器，其可以为固定波长激光器或波长可调谐激光器。所述双波长激光器可以为直接调制激光器或者外调制激光器。

具体的，所述激光器可为双波长激光器泵浦源，对该双波长激光器泵浦源，为获得单模泵浦光，可在器件增益区A材料内制作光栅，形成分布反馈激光器结构，如图9所示；或者将光栅制作于相位区P内，与一段增益区A共同形成分布布拉格光栅可调谐激光器结构，如图10所示。

更具体而言，所述泵浦源的两个具有不同波长的激光器可以采用串列式结构，如图11所示，也可以采用并列式结构，如图12所示，利用由无源波导区W材料制作的合波器合波输出。没有光栅的增益区可作为光放大器对泵浦光进行片上放大。

并列式双波长激光器发出的波长为λ1及λ2的光分别被采用无源波导区W材料制作的1×N分光器均匀的分成N份(图8中的分光器包括多个级联的1×2分光器)，不同波长的光经采用无源波导区W材料制作的合波器两两合波后经采用增益区A材料制作的光放大器放大后分别输入并泵浦N个光混频器，产生的THz电信号由单片集成的THz天线发射出去。在合波之前两个波长的泵浦光之一经相位调制器调制，可以改变两个泵浦光之间的相位差，从而改变THz天线发射的THz波的相位，进一步改变整个天线阵列的辐射方向。相位调制器对泵浦光相位的调制可以通过电注入的方式实现，也可以通过对调制器波导进行加热的方式实现。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换，例如：

所述天线也可以采用基于GaAs衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底等的材料体系制作，均不影响本发明的实现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种THz天线制作方法，包括：

在一衬底上依次生长缓冲层、波导层及间隔层；

去除衬底上增益区的间隔层后生长量子阱材料层；

去除衬底上增益区外的波导区、相位区及混频器区的量子阱材料层；

去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料层；

去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料层，并去除衬底上相位区内的间隔层后生长接触层，完成THz天线材料制备；

2.一种THz天线制作方法，包括：

在一衬底上生长缓冲层及量子阱材料层；

去除衬底上增益区外的波导区、相位区及混频器区的量子阱材料层后对接生长波导层及间隔层材料；

去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料层；

去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料，并去除衬底上相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

3.一种THz天线制作方法，包括：

在一衬底上生长缓冲层、量子阱材料层、间隔层及注入层；

去除间隔层材料上的注入层材料；

去除衬底上混频器区的间隔层材料后生长混频器材料；

去除衬底上混频器区外的增益区、波导区及相位区的混频器材料，并去除衬底上增益区及相位区内的间隔层材料后生长接触层材料，完成THz天线材料制备；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的THz天线制作方法，还包括：在增益区、相位区、混频器区及波导区制作波导；在增益区、相位区及混频器区制作电极。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的THz天线制作方法，其中，在器件增益区内制作光栅，形成分布反馈激光器结构；或将光栅制作于相位区内，与所述增益区共同形成分布布拉格光栅可调谐激光器结构。

6.一种THz天线，其采用权利要求1至5中任一项所述的THz天线制作方法形成，包括：泵浦激光器、相位调制器、无源波导、光放大器、混频器及天线。

7.根据权利要求6所述的THz天线，其中，所述激光器为双波长激光器，采用串列式或并列式连接，其包括固定波长激光器或波长可调谐激光器；所述相位调制器通过电流注入或对波导加热的方式实现对光相位的调整；所述混频器为单行载流子探测器、pin探测器或光电导开关。

8.据权利要求7所述的THz天线，其中，所述双波长激光器为直接调制激光器或者外调制激光器。

9.根据权利要求7所述的THz天线，其中，该THz天线还包括分光器和合波器，二者均采用与无源波导相同的材料形成；采用并列式双波长激光器发出的两个不同波长的光分别被1×N分光器均匀的分成N份，不同波长的光利用合波器两两合波后分别输入并泵浦N个光混频器；在合波之前两个波长的泵浦光之一经相位调制器调制以改变两个泵浦光之间的相位差，N大于等于2。

10.根据权利要求6所述的THz天线，其中，该THz天线为单元THz天线或阵列THz天线。