CN110690569A - 在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太赫兹发射天线的优化设计，为对沿共面传输线的太赫兹波导传输过程进行操控，实现对太赫兹光电导发射天线的背向辐射特性的有效控制。本发明在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，由电极、传输线、天线节、衬底及微结构五部分构成，衬底材质为本征砷化镓，电极、传输线及天线节镀在衬底表面，电极位于天线四角；两根传输线对称设置，每根传输线两端分辨分别与两个电极相连；天线节位于天线的中间，金属微结构包括结构相同的两个部分，每一部分与天线节结构一致，两个部分在天线节两侧对称设置，金属微结构材质与电极相同。本发明主要应用于太赫兹发射天线的设计制造场合。

Description

在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线
技术领域
本发明涉及太赫兹发射天线的优化设计，具体是在太赫兹光电导发射天线的传输线上集成微结构，以增强或改变太赫兹发射天线的辐射特性。
背景技术
太赫兹波(Terahertz wave,THz wave)是指频率介于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)，即波长处于3mm-30μm的电磁波。在电磁波谱中，太赫兹波处于微波与红外辐射之间[1]。但由于缺乏高效的太赫兹源和探测器，太赫兹波段在广袤的电磁波谱上一直处于一个“空白”阶段，即太赫兹空隙(Terahertz gap)。直至20世界80年代中期，这种情况才由于超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展有所改进，由这两种技术提供的新的太赫兹源和探测器，将太赫兹空隙迅速缩小，使得太赫兹领域的研究得以迅速发展[2]。太赫兹以其高于微波的频率和较低的光子能量，特异的穿透性和丰富的物质指纹谱，引起了研究人员的浓厚兴趣，在无线通信、无损检测、人体安检、医疗检查等众多领域都有广泛的应用前景[3]。
在太赫兹科学与技术的发展中，太赫兹源的作用无疑是巨大的，因此太赫兹源的研究是居于首要位置的。目前超快激光技术是开发宽频太赫兹源的主要技术之一，其发展给太赫兹源带来了巨大的机遇。目前已有的基于超快激光技术的太赫兹源包括光电导天线、非线性晶体、空气等离子体及光敏半导体等[4]。
太赫兹光电导发射天线作为目前使用最为广泛的一种太赫兹源[2]，广泛应用于太赫兹技术的众多方面。天线是由半导体衬底和蒸镀在其表面的金属传输线及电极组成，半导体的选择根据激发波长有所不同，较有代表性的是砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)和InGaAs等光敏半导体。太赫兹光电导发射天线的工作原理为：以光子能量大于半导体禁带能量的飞秒激光入射至半导体衬底时，会在衬底内产生光生载流子，通过天线的金属传输线外加电场于光生载流子，驱动其加速运动产生太赫兹波[5]。产生的太赫兹波以多种方式向外传播，除辐射模式外，还包括沿共面传输线传输和在衬底中传输的两种波导传输模式。在实际应用中，主要利用的是透过衬底背面向外传播的背向透射部分，该部分太赫兹波被紧贴在太赫兹光电导天线上的硅制透镜会聚后形成发射角较小的太赫兹波束。基于光电导天线机制的太赫兹源具有集成度高的特点，更利于太赫兹仪器的开发，因此市场化的太赫兹系统多采用光电导天线作为其辐射源。但目前为止，光电导天线的主要问题是背向辐射特性操控困难和辐射效率低，即不具备控制太赫兹波振幅和相位的频域分布特性的能力，控制背向辐射偏振状态的能力很差，背向辐射效率很低，这很大程度上限制了天线的应用推广潜力[6,7]。
人工超材料(Metamaterials)是一种与电磁波发生强相互作用的新型人工电磁结构，在微波、太赫兹波和光波段都开展了相关研究。不同波段的超材料有不同的材料，更重要的是，其几何大小显著不同。已有的太赫兹波段人工电磁超材料多用于对传输中的太赫兹波进行滤波、调相和偏振控制，实现了多种太赫兹波段的功能器件[8-12]。然而截止目前，用超材料来控制光电导天线辐射太赫兹波的辐射特性还未见报道。如果将太赫兹波段的超材料结构集成到光电导天线的构架中，在太赫兹波的辐射过程中同时调制太赫兹波，便有可能控制光电导天线的辐射特性，为研发功能多样、性能优异的太赫兹源提供一条新的路径。。
参考文献：
[1]siegel P H.Transactions on Microwave Theory and Techniques[J].IEEE,2002,50:910.
[2]许景周,张希成.太赫兹科学技术和应用[M].北京:北京大学出版社,2007:2,27.
[3]Federici J F,Schulkin B,Huang F,et al.THz imaging and sensing forsecurity applications-explosive,weapons and drugs[J].Semiconductor Scienceand Technology,2005,20:S266.
[4]谷智,陈沅,李焕勇等.太赫兹辐射源的研究进展[J].红外技术,2011,33(5):252-261.
[5]Zhang X C,Xu Jing zhou.Introduction to THz Wave Photonics[M].NewYork:Springer Science+Business Media,2010:28.
[6]张清刚.光电导太赫兹天线的研究[D].成都：电子科技大学,2013.
[7]Neda Khiabani.Modelling,Design and Characterisation of TerahertzPhtotconductiveAntennas.the University of Liverpool,2013.
[8]Shi Y.,Zhou Q.,Zhang C.,et al.Ultrafast high-field carriertransport in GaAs measured by femtosecond pump-terahertz probe spectroscopy[J].Applied Physics Letters,2008,93(12):121115.
[9]Engheta,Nader,Richard W.,et al.Metamaterials:Physics andEngineering Explorations[M].Wiley&Sons.2006-06:3-30,37,143-150,215-234,240-256.
[10]Caloz C.,Itoh T..Electromagnetic Metamaterials:Transmission LineTheory and Microwave Applications[M].New York:John Wiley&Sons,2006.
[11]Smith,David R..What are Electromagnetic Metamaterials？[M].NovelElectromagnetic Materials,2006.
[12]Cai W.,Chettiar U.K.,Kildishev A.V.,et al.Optical cloaking withmetamaterials[J].Nature Photonics 1,2007:224-227。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的太赫兹光电导发射天线结构，通过在常见的太赫兹光电导发射天线的共面传输线上集成超材料微结构，对沿共面传输线的太赫兹波导传输过程进行操控，实现对太赫兹光电导发射天线的背向辐射特性的有效控制。集成在太赫兹光电导发射天线上的超材料微结构通过两种方式改变太赫兹光电导天线的背向辐射特性：1)沿共面传输线传播的太赫兹波被超材料微结构所反射，反射波重新沿传输线传播至太赫兹波产生处，反射波的电场通过影响太赫兹产生处的总偏压电场而改变光电导天线的背向辐射特性；2)超材料微结构与沿共面传输线传播而来的太赫兹波发生相互作用，在微结构处发生太赫兹波的背向辐射，形成新的太赫兹背向辐射产生点，这部分由微结构产生的背向辐射叠加在太赫兹光电导发射天线原有的背向辐射种，从而改变太赫兹光电导天线总的背向辐射特性。为此，本发明采取的技术方案是，在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，由电极、传输线、天线节、衬底及微结构五部分构成，衬底材质为本征砷化镓，电极、传输线及天线节镀在衬底表面，电极位于天线四角；两根传输线对称设置，每根传输线两端分辨分别与两个电极相连；天线节位于天线的中间，位于两条传输线之间，两端分别与传输线相连，天线节中部断开，当用激光垂直照射在天线节间，在天线节间的砷化镓衬底表面产生大量的光生载流子，在电极间施加25V电压时，载流子会在电压的驱动下产生定向移动，在衬底的后表面便会有太赫兹波出射，金属微结构包括结构相同的两个部分，每一部分与天线节结构一致，两个部分在天线节两侧对称设置，金属微结构材质与电极相同。
金属微结构包括结构相同的两个部分，每个部分为两个对称且分别与传输线相连的金属环，金属环在正向或在朝向天线节的侧向设有开口。
金属微结构与天线节之间的距离可根据需要调节。
本发明的特点及有益效果是：
本发明的特点：在太赫兹光电导发射天线的共面传输线中集成超材料微结构，与沿共面传输线传播的太赫兹波发生相互作用，改变太赫兹光电导发射天线背向辐射的特性。
本发明的有益效果：通过改变集成在共面传输线上的超材料微结构的形状、材料、尺寸、位置等参数，实现对太赫兹光电导发射天线背向辐射特性(包括但不限于振幅、相位的频域分布特性，偏振特性)和辐射效率进行操控的效果。
附图说明：
图1(a)为本发明设计的、在共面传输线上集成有超材料微结构(包括但不限于图中所示结构)的新型太赫兹光电导发射天线的示意图；图中(a)中1为电极，2为传输线，3为集成的超材料微结构，4为天线的衬底，5为太赫兹光电导发射天线的天线节，即飞秒激光入射处；(b)为天线测量时示意图，其中6位贴在天线背面的硅透镜，7为用于聚焦入射飞秒激光脉冲的透镜，8为入射的飞秒激光脉冲，9为太赫兹光电导发射天线的背向辐射。(c)为传统天线示意图；(d)为用于举例的三种超材料微结构的天线示意图；
图2为用于测量的天线的4f太赫兹时域光谱系统，其中11A和11B为两面90°离轴抛物面镜，12为用于太赫兹波的光电导天线探测器；
图3为测量得到的太赫兹光电导发射天线的频域及时域曲线图，其中(a)为所示的三种天线的太赫兹背向辐射的时域电场和频谱特性，(b)(c)为变化例一例二两种超材料微结构与天线节之间的间距得到的太赫兹背向辐射的时域电场和频谱特性；
图4为例一中微结构在0.35THz及0.55THz处模拟得到的电场图；
具体实施方式
本发明提出了新的太赫兹光电导发射天线结构，通过在常见的太赫兹光电导发射天线的共面传输线上集成超材料微结构，对沿共面传输线的太赫兹波导传输过程进行操控，实现对太赫兹光电导发射天线的背向辐射特性的有效控制。集成在太赫兹光电导发射天线上的超材料微结构通过两种方式改变太赫兹光电导天线的背向辐射特性：1)沿共面传输线传播的太赫兹波被超材料微结构所反射，反射波重新沿传输线传播至太赫兹波产生处，反射波的电场通过影响太赫兹产生处的总偏压电场而改变光电导天线的背向辐射特性；2)超材料微结构与沿共面传输线传播而来的太赫兹波发生相互作用，在微结构处发生太赫兹波的背向辐射，形成新的太赫兹背向辐射产生点，这部分由微结构产生的背向辐射叠加在太赫兹光电导发射天线原有的背向辐射种，从而改变太赫兹光电导天线总的背向辐射特性。为此，本发明采取的技术方案是，在传统的太赫兹光电导发射天线的共面传输线中，集成超材料微结构以改变太赫兹光电导发射天线的背向辐射特性，所述微结构对称分布在两条传输线之间，且位于天线上太赫兹产生处的两侧。
该有益效果实现的原理是：1)通过集成的超材料微结构将沿共面传输线传播的太赫兹波部分地反射至太赫兹波产生处，反射波的电场通过影响太赫兹产生处的总偏置电场而改变光电导天线的背向辐射特性；2)与沿共面传输线传播的太赫兹波发生相互作用的超材料微结构，形成新的太赫兹背向辐射产生处，从而改变太赫兹光电导天线总的背向辐射特性。
虽然将参照含有本公开的较佳实施例的附图充分描述本公开，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的公开，同时获得本公开的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本公开所描述的示例性实施例。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施，因此本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
图1示意性地展示出了根据本公开的三个示例性实施例(实施例一)的集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线。如图所示，该集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线包括：电极1，共面传输线2，三个实施例中所设计的超材料微结构3A、3B和3C，天线衬底4，太赫兹光电导发射天线的天线节5，贴在天线背面的硅透镜6，用于聚焦入射飞秒激光脉冲的透镜7，入射的飞秒激光脉冲8和太赫兹光电导发射天线的背向辐射9。
具体的，电极1面积为～2mm2，与共面传输线2相连。
共面传输线2宽度为10μm，共面传输线2两条传输线间距为80μm；
三个实施例中所设计的超材料微结构3A、3B和3C的尺寸如图2所示为：其距离天线节45μm。
天线衬底4的材质为砷化镓，厚度为650μm；
太赫兹光电导发射天线的天线节5的尺寸如图1(c)所示，
材质为铝、Ti/Au或者Cr/Au等太赫兹波段良导体；
电极1，共面传输线2，实施例一中所设计的超材料微结构3和太赫兹光电导发射天线的天线节5的材质为以5nm钛/200nm金。
硅透镜6的材质为本征硅，为超半球透镜，其直径R为5μm，高度为6.5mm。
用于聚焦入射飞秒激光脉冲的透镜7的焦距为15mm；
入射的飞秒激光脉冲8的中心波长为780nm，脉冲宽度～100fs，功率～10mW。
实施例一、二、三中，实施有益效果的具体方式，结合图1(b)具体予以说明。将硅透镜6紧贴在集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线背面，太赫兹光电导发射天线的天线节5和硅透镜6底面的圆心应沿底面的法线方向对准。在天线的共面传输线2上加载～10V量级的偏置电压，并让光子能量大于衬底禁带能量的飞秒激光脉冲8入射至太赫兹光电导发射天线的天线节5上，此时天线便会在天线节5处产生太赫兹波，而集成的超材料微结构3A、3B和3C(分别对应于实施例一、二、三)将通过以下两种方式实现对太赫兹光电导发射天线背向辐射特性和辐射效率进行操控的有益效果：
1)通过集成的超材料微结构将沿共面传输线传播的太赫兹波部分地反射至太赫兹波产生处，反射波的电场通过影响太赫兹产生处的总偏置电场而改变光电导天线的背向辐射特性和辐射效率；
2)与沿共面传输线传播的太赫兹波发生相互作用的超材料微结构，形成新的太赫兹背向辐射产生处，从而改变太赫兹光电导天线总的背向辐射特性。
实施例一、二、三所公布的集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线的有益有效果是在4F太赫兹时域光谱系统中验证的，如图2所示。该验证系统包括集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线模块10(包括聚焦透镜7、集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线、硅透镜6和其他必要的机械、电子元件)，两面90°离轴抛物面镜11A和11B，以及用于太赫兹波的光电导天线探测器12。验证过程中，除更换集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线外，离轴抛物面镜11A和11B以及光电导天线探测器12均保持同一状态。
图3中的红色曲线是实施例一、二、三所公布的集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线的背向辐射时域电场及相应的傅里叶变换。作为对比的黑色曲线是未集成超材料微结构的同型号太赫兹光电导发射天线，在同样的测试环境下测得的背向辐射。如图可见，有无超材料微结构3A、3B和3C的光电导发射天线背向出射的太赫兹波对比明显。
在时域上，三种超材料微结构3A、3B和3C在太赫兹主脉冲后引起了电场的回声振荡。
在频域上，集成有三种超材料微结构3A、3B和3C的太赫兹光电导发射天线，与没有集成超材料微结构的太赫兹光电导发射天线的背向辐射的频域特性均有明显不同，因此超材料微结构3A、3B和3C实现了对太赫兹光电导发射天线的背向辐射的频域特性进行操控的目的。
具体的，对于实施例一的超材料微结构3A，如图3(a)1所示，与无超材料微结构的光电导天线(黑线)相比，在0.35THz附近有显著的带阻频谱特性，如图4(a)中可以看出0.35THz处背向辐射几乎没有，而在0.46THz至0.85THz波段则有显著地增强，最多可以达到无超材料微结构光电导天线的1.82倍，实现了在一定频段内提高背向辐射效率的提升，如图4(b)中也可以看出微结构使得背向辐射得以增强。
对于实施例二的超材料微结构3B，如图3(a)2所示，与无超材料微结构的光电导天线(黑线)相比，在0.39THz和0.59THz附近有显著的带阻频谱特性，而在0.65THz至1.1THz处有显著地增强，最多可以增强至传统天线的1.5倍，实现了在一定频段内提高背向辐射效率的提升。
对于实施例三的超材料微结构3C，如图3(a)3所示，与无超材料微结构的光电导天线(黑线)相比，在0.18THz至0.37THz处有显著地增强，最多可以增强至传统天线的1.74倍，实现了在一定频段内提高背向辐射效率的提升。
实施例四，我们对于例一与例二中的超材料结构距离天线节的距离进行讨论，同样运用4F太赫兹时域光谱系统进行验证发现，如图3(b)、(c)所示，其中黑色曲线为未集成超材料微结构的太赫兹光电导发射天线，红色曲线为天线测量结果，改变微结构与天线节之间间距，从时域信号可以发现随着结构距离天线节的距离增加，太赫兹主脉冲后引起的电场回声振荡也会延后，对于频域结果，与无超材料微结构的光电导天线(黑线)相比，随着距离的增加，特征谱线的增强及带阻区域会向低频方向移动。
对于例一所示的结构，在结构距离天线节45μm的时候带阻频谱特性位于0.35THz，而增强区域位于0.46THz至0.85THz，最多增强1.82倍。将结构移至距离天线节95μm处时，带阻频谱特性移至0.25THz，增强区域移至0.33THz至0.56THz，最多增强1.87倍。继续将结构向远离天线节方向移动至距离145μm处时，带阻频谱特性移至0.2THz处，增强区域移至0.27THz至0.42THz，最多增强1.62倍。将结构移至距离天线节195μm处时，带阻频谱特性频率很低测量不出，增强区域移动至0.21THz至0.34THz，最多增强1.58倍。微结构距离天线节245μm时，增强范围移动至0.16THz至0.3THz，最多增强2.1倍。
对于例二所示的结构，在0.39THz和0.59THz附近有显著的带阻频谱特性，而在0.65THz至1.1THz处有显著地增强，最多可以增强至传统天线的1.5倍。将结构移至距离天线节145μm处时，带阻频谱特性频率很低测量不出，增强区域移至0.31THz至0.46THz，最多增强1.45倍。继续将结构向远离天线节方向移动至距离195μm处时，增强区域移至0.24THz至0.36THz，最多增强1.51倍。将结构移至距离天线节245μm处时，增强区域移动至0.2THz至0.3THz，最多增强1.52倍。
对比实施例一、二、三，通过改变超材料微结构的几何参数，可以实现对集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线的背向辐射频域特性进行操控的有益效果，改变其带阻和带通的频率范围和特性。实施实例四，通过改变微结构与天线节之间的位置关系，同样可以实现对集成有超材料微结构的太赫兹光电导发射天线的背向辐射频域特性进行操控的有益效果，改变其整体的带阻和带通的频率范围。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
太赫兹光电导天线主要由电极、传输线、天线节及衬底四部分构成，衬底材质为本征砷化镓，厚度为650μm，电极，传输线及天线节材质为5nm钛/200nm金，镀在衬底表面。电极大小约为2mm2，位于天线四角；传输线线宽为10μm，两根传输线相距80μm，两端分辨与金属电极相连；天线节位于天线的中间，位于两条传输线之间，与传输线相连，线宽为10μm，天线节间距为10μm。当用780nm的激光垂直照射在天线节间，在天线节间的砷化镓衬底表面产生大量的光生载流子，在电极间施加25V电压时，载流子会在电压的驱动下产生定向移动，在衬底的后表面便会有太赫兹波出射。在天线节两端距离天线节45μm处，添加金属微结构，材质与电极相同。实施例一为侧方位开口的开口环，宽度为30μm，长度为30μm，线宽为10μm，开口大小为10μm；实施例二为正开口的开口环，宽度为30μm，长度为40μm，线宽为10μm，开口大小为10μm；实施例三为侧方位开口的开口环，宽度为30μm，长度为100μm，线宽为10μm，开口大小为10μm。实施例四结构对实施例一、二中的结构距离天线节位置进行了改变，对实施例一结构改变的距离分别为45μm、95μm、145μm、195μm、245μm；对实施例二结构改变的距离分别为45μm、145μm、195μm、245μm。专利就实施例一二三四进行实验测量。
三个实施例中所设计的超材料微结构3A、3B和3C的尺寸如图2所示为：其距离天线节45μm。

Claims (3)

1.一种在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，其特征是，由电极、传输线、天线节、衬底及微结构五部分构成，衬底材质为本征砷化镓，电极、传输线及天线节镀在衬底表面，电极位于天线四角；两根传输线对称设置，每根传输线两端分辨分别与两个电极相连；天线节位于天线的中间，位于两条传输线之间，两端分别与传输线相连，天线节中部断开，当用激光垂直照射在天线节间，在天线节间的砷化镓衬底表面产生大量的光生载流子，在电极间施加25V电压时，载流子会在电压的驱动下产生定向移动，在衬底的后表面便会有太赫兹波出射，金属微结构包括结构相同的两个部分，每一部分与天线节结构一致，两个部分在天线节两侧对称设置，金属微结构材质与电极相同。
2.如权利要求1所述的在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，其特征是，金属微结构包括结构相同的两个部分，每个部分为两个对称且分别与传输线相连的金属环，金属环在正向或在朝向天线节的侧向设有开口。
3.如权利要求1所述的在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，其特征是，金属微结构与天线节之间的距离可根据需要调节。
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