CN109962396B - 一种太赫兹辐射源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹辐射源及其制备方法，包含内嵌的周期极化铌酸锂芯层(4)和复合微带线结构，复合微带线结构自下向上包括硅基底(1)、下层金膜(2)、苯环丁烷(benzocyclobutene BCB)有机高分子材料包层(3)和两端侧壁金电极(5)及上层金电极(6)。本发明有益效果包括：(1)被束缚在微带线结构中的太赫兹波，降低了铌酸锂材料对太赫兹的吸收，从而实现毫瓦量级太赫兹辐射源，显著提高光整流产生的太赫兹辐射源输出功率；(2)复合微带线结构使得太赫兹波能够以低损耗系数在该复合结构中不断产生并传播；在端面实现更高的输出太赫兹能量，实际应用中更灵活；可进而发展成为集太赫兹源、波导、检测为一体的高集成度太赫兹有源器件。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种太赫兹辐射源的结构设计及其制作工艺方法。
背景技术
太赫兹(THz)通常是指频率在0.1～10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。
由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。
现有的太赫兹产生的方法有很多种，包括电子学产生法和光学产生法。目前，常用的电子学产生法有加速电子产生法等，而常用的光子学产生方法主要有超短激光脉冲有关，能产生宽带亚皮秒THz辐射的光电导、光整流和光学差频等方法。此外，利用热辐射、高能加速器等产生THz的研究也在发展中。
在上述方法中各有优缺点，如加速电子产生法可获得瓦级以上的高功率太赫兹波。而光学方法通常获得太赫兹波的功率都不高，特别是光整流和光学差频法产生的太赫兹功率目前还很难达毫瓦量级。但是这两种方法却能够获得窄带宽和频率可调谐这两种重要特性。在频谱学、传感、通信以及成像等领域应用中，上述两种特性是非常必要的。因此，近二十年有众多课题组研究了这两种光学产生太赫兹的方法，获得了许多有益成果。本质上光整流和光差频都是利用非线性晶体的二阶非线性效应，把光波能量转化为太赫兹辐射。相比较而言，光整流方法比光学差频法实现起来更为容易。它只需要一束脉冲激光照射非线性晶体就可实现能量转换，它的转换效率主要依赖于材料的非线性系数和位相匹配。目前，比较成熟的光整流产生太赫兹的方案是把飞秒激光以一定的角度照射到铌酸锂(LN)晶体中，在相位匹配条件下由晶体表面辐射出太赫兹波。但由于走离效应，能达到相位匹配条件的工作区域非常小(微米尺度)，转换效率不高。为提高转换效率，可以使用周期极化铌酸锂(PPLN)晶体。在使用PPLN晶体的情况下，利用的是准相位匹配条件，可以灵活选择入射方向。这样一来，不仅可以利用晶体的最佳极化方向从而获得最大非线性系数，而且可以极大增加工作区域(毫米尺度)。
然而，即便采用了PPLN材料后，转换效率有了很大的提高，但太赫兹辐射的输出功率依然很小，不到毫瓦量级。这是因为LN晶体对太赫兹波存在很大的吸收。常温时，LN在1THz下的吸收系数约为20cm-1。这意味着太赫兹波在铌酸锂中只能传输十几个微米距离。因此只有在LN表面区域产生的太赫兹波才能辐射出晶体而被利用。为提高辐射功率，现有的一种优化方法是将LN晶体冷却到非常低的温度。YS.Lee等人通过冷却LN晶体，在1THz下的吸收系数在低温(T＝10K)时，从室温～20cm-1下降到～4cm-1。即使如此，晶体吸收系数仍然比较大，THz波依然不能在LN中长距离传输。此外，冷却系统的使用也使基于LN的太赫兹辐射源的使用环境复杂化。因此，另一种提高辐射功率的思路是尽可能收集从LN晶体表面辐射的太赫兹波。在本专利中，我们提出一种利用有机高分子填充的行波电极微带线结构作为传输通道。该结构使得传输太赫兹损耗変小，传输距离变大，起到会聚和定向传输THz的功能。再在此结构中嵌入一个横截面积小于5×5μm2PPLN芯层，可以实现泵浦光在PPLN芯层传播，传输过程中不断辐射太赫兹波，从PPLN表面辐射出来定向传输，从而可以实现毫瓦量级太赫兹辐射源，显著提高了现有阶段光整流产生的太赫兹辐射源输出功率，最终获得可室温运转的基于PPLN波导太赫兹辐射源。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷与不足，本发明提出了一种太赫兹辐射源，实现了一种内嵌周期极化铌酸锂芯层和复合微带线结构及其制备工艺。
本发明的一种太赫兹辐射源，包含内嵌的周期极化铌酸锂芯层4和复合微带线结构，所述周期极化铌酸锂芯层4为脊型；其特征在于，所述复合微带线结构自下向上包括硅基底1、下层金膜2、有机高分子材料包层3和两端侧壁金电极5及上层金电极6，所述周期极化铌酸锂芯层(4)内嵌于有机高分子材料包层(3)中；其中：
所述周期极化铌酸锂芯层4作为泵浦光传输通道，由于光整流效应泵浦光在此通道内激发出太赫兹波，太赫兹波在周期极化铌酸锂芯层4中辐射出来，从而降低相关器件的传输损耗；
所述复合微带线结构作为太赫兹波传输线，其中下层金膜2作为导体板、所述有机高分子材料包层3作为介质基片和上层金电极6作为导体带三部分；
所述两端侧壁金电极5控制光波的输入与输出，增大耦合效率，使得太赫兹模场在复合微带线结构中传输。
本发明的一种太赫兹辐射源的制备方法，该制备方法包括以下流程：
步骤1、周期极化，即选用光学级Z切同成份或近化学计量比铌酸锂晶片为初始材料，外加电场极化在铌酸锂体材料上制备周期为10～50μm的周期反转畴结构；
步骤2、初步粘合，即采用硅晶体作为基底，其中：在硅基底上镀金，再在金层表面均匀旋涂一层有机高分子材料，厚度为2～10μm，再将制备好的周期极化铌酸锂晶体与之粘合；
步骤3、精密抛光及刻蚀，即选择厚度在300μm～600μm的周期极化铌酸锂层，采用精密抛光的方式将所述周期极化铌酸锂层抛光至10μm以内，再通过干法刻蚀技术，将铌酸锂层刻蚀成截面积小于5×5μm2的脊型；
步骤4、覆盖包层，即通过光刻曝光的方式进行辅助，将有机高分子材料再次旋涂后覆盖在周期极化铌酸锂晶体脊型的表面，形成上包层；
步骤5、包层刻蚀，即将多余的有机高分子材料刻蚀掉，最后再在上包层的表面用电镀方式制作调制金电极，最终得到包含内嵌周期极化铌酸锂芯层和复合微带线结构的太赫兹源。
与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：
(1)被束缚在微带线结构中的太赫兹波，降低了铌酸锂(LN)材料对太赫兹的吸收，从而可以实现毫瓦量级太赫兹辐射源，显著提高了现有阶段光整流产生的太赫兹辐射源输出功率；
(2)复合微带线结构的长工作距离和可压缩形状使得太赫兹波能够以低损耗系数在该复合结构中不断产生并传播；可以在端面实现更高的输出太赫兹能量，在实际应用中更灵活；并有希望在此基础上发展成为集太赫兹源、波导、检测为一体的高集成度太赫兹有源器件。
附图说明
图1为本发明的一种太赫兹辐射源结构示意图；
图2为本发明的一种太赫兹辐射源的制备方法。
附图标记：
1、硅基底，2、下层金膜，3、有机高分子材料包层，4、周期极化铌酸锂芯层，5、两端侧壁金电极，6、上层金电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明的太赫兹辐射源包含内嵌的周期极化铌酸锂(PPLN)芯层4和复合微带线结构，复合微带线结构自下向上包括硅基底1、下层金膜2、有机高分子材料包层3，和两端侧壁金电极5及上层金电极6。所述有机高分子包层3可以是苯环丁烷(benzocyclobutene BCB)有机材料，但不限于此材料。目前来讲，BCB材料在传播微波太赫兹信号中损耗较低，通过仿真结果，周期极化铌酸锂(PPLN)芯层的横截面积小于5×5μm2时，几乎不会影响太赫兹波在BCB材料中原有的传输结构性质，事实上此时PPLN芯层只作为泵浦光传输通道，由于光整流效应泵浦光在此通道内激发出太赫兹波，从而太赫兹波在PPLN芯层中辐射出来，从而降低相关器件的传输损耗。
所述复合微带线结构作为太赫兹波传输线，是设置在PPLN晶片上的单一导体带，所述金层2作为导体板、所述有机高分子材料包层3作为介质基片和上层金电极6作为导体带三部分，两端侧壁金电极5是为了控制光波的输入与输出，增大耦合效率，使得太赫兹模场在复合微带线结构中传输。
其中：在硅基底上镀金；周期极化铌酸锂芯层与有机高分子材料包层之间直接粘合，采用的制备方式包括多次旋涂、低温固化，抛光，干法刻蚀等工艺步骤；上层的金电极采用电镀方式制备。
如图2所示，本发明的一种太赫兹辐射源的制备方法包括以下流程：
步骤1、周期极化：本发明选用的是光学级Z切同成份或近化学计量比铌酸锂晶片为初始材料，采用外加电场极化的方式，可以在铌酸锂体材料上制备周期为10～50μm的周期反转畴结构，即制备周期极化铌酸锂晶片；
步骤2、初步粘合：本发明采用硅晶体作为基底，其中：在硅基底上镀金，再在金层表面均匀旋涂一层BCB，厚度为2～10μm，再将制备好的周期极化铌酸锂晶体与之粘合；
步骤3、精密抛光及刻蚀：周期极化铌酸锂层的厚度在300μm～600μm左右，采用精密抛光的方式，将铌酸锂层抛光至10μm以内，再通过干法刻蚀技术，如ICP、RIE等技术将铌酸锂层刻蚀成截面积小于5×5μm2的脊型；
步骤4、覆盖包层：通过光刻曝光的方式进行辅助，将BCB再次旋涂后覆盖在铌酸锂脊型的表面，形成上包层。
步骤5、包层刻蚀：将多余的BCB材料刻蚀掉，形成内嵌周期极化铌酸锂芯层和微带线的复合结构，最后再在包层的上表面用电镀方式制作调制金电极，最终得到内嵌周期极化铌酸锂芯层和复合微带线结构的太赫兹源。
Claims (2)
1.一种太赫兹辐射源，包含内嵌的周期极化铌酸锂芯层(4)和复合微带线结构，所述周期极化铌酸锂芯层(4)为脊型；其特征在于，所述复合微带线结构自下向上包括硅基底(1)、下层金膜(2)、有机高分子材料包层(3)和两端侧壁金电极(5)及上层金电极(6)，所述周期极化铌酸锂芯层(4)内嵌于有机高分子材料包层(3)中；其中：
所述周期极化铌酸锂芯层(4)作为泵浦光传输通道，由于光整流效应泵浦光在此通道内激发出太赫兹波，太赫兹波在周期极化铌酸锂芯层(4)中辐射出来，从而降低相关器件的传输损耗；
所述复合微带线结构作为太赫兹波传输线，其中下层金膜(2)作为导体板、所述有机高分子材料包层(3)作为介质基片和上层金电极(6)作为导体带三部分；
所述两端侧壁金电极(5)控制光波的输入与输出，增大耦合效率，使得太赫兹模场在复合微带线结构中传输。
2.一种太赫兹辐射源的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下流程：
步骤(1)、周期极化，即选用光学级Z切同成份或近化学计量比铌酸锂晶片为初始材料，外加电场极化在铌酸锂体材料上制备周期为10～50μm的周期反转畴结构；
步骤(2)、初步粘合，即采用硅晶体作为基底，其中：在硅基底上镀金，再在金层表面均匀旋涂一层有机高分子材料，厚度为2～10μm，再将制备好的周期极化铌酸锂晶体与之粘合；
步骤(3)、精密抛光及刻蚀，即选择厚度在300μm～600μm的周期极化铌酸锂层，采用精密抛光的方式将所述周期极化铌酸锂层抛光至10μm以内，再通过干法刻蚀技术，将铌酸锂层刻蚀成截面积小于5×5μm2的脊型；
步骤(4)、覆盖包层，即通过光刻曝光的方式进行辅助，将有机高分子材料再次旋涂后覆盖在周期极化铌酸锂晶体脊型的表面，形成上包层；
步骤(5)、包层刻蚀，即将多余的有机高分子材料刻蚀掉，最后再在上包层的表面用电镀方式制作调制金电极，最终得到包含内嵌周期极化铌酸锂芯层和复合微带线结构的太赫兹源。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210727 Address after: Room 321-17, building 6-b, international enterprise R & D Park, No. 75, Tiansheng Road, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu 210043 Patentee after: Nanjing Dingxin Photoelectric Technology Co.,Ltd. Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Patentee before: Tianjin University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231030 Address after: 230000, 3rd Floor, Building D4, Innovation Industrial Park, No. 800 Wangjiang West Road, High tech Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Hefei Photon Computing Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: Room 321-17, building 6-b, international enterprise R & D Park, No. 75, Tiansheng Road, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu 210043 Patentee before: Nanjing Dingxin Photoelectric Technology Co.,Ltd. |