CN114414040A - 一种紧凑式太赫兹产生与探测器件 - Google Patents

一种紧凑式太赫兹产生与探测器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种紧凑式太赫兹产生与探测器件，包括：光纤，用于导入外部激光；双光纤平行耦合器，用于连接光纤并固定光纤纤维；光束指向控制器，用于传导光纤输出的激光并调整激光输出位置；太赫兹功能芯片，具有太赫兹产生区域和太赫兹探测区域，分别用于产生太赫兹信号与探测太赫兹信号；太赫兹汇聚透镜，用于减小所述太赫兹产生区域出射的太赫兹辐射的发散角，并将经由样品表面反射回的太赫兹辐射汇集至所述太赫兹探测区域。本发明通过双光纤平行耦合器与光束指向控制器将独立的太赫兹产生器件与太赫兹探测器件集成为一个紧凑器件，大幅缩小了太赫兹光谱系统体积，有效拓展了太赫兹光谱技术的应用领域。

Description

一种紧凑式太赫兹产生与探测器件
技术领域
本发明属于无线电计量和测试技术领域，特别涉及一种紧凑式的太赫兹产生与探测器件。
背景技术
太赫兹光谱技术凭借太赫兹频段的独特性质，已经在工业无损检测、化学分析、安全检查、空间物理等领域得到了广泛应用。该技术中使用激光激励太赫兹产生芯片产生太赫兹信号，并使用激光激励太赫兹探测芯片对产生的太赫兹信号进行探测。目前商用的太赫兹产生探测技术一般由独立的太赫兹源与太赫兹探测器实现，由于产生端与探测端为两个独立个体，所以为了保证探测的高效性，在太赫兹信号产生后，需要在太赫兹路径中引入离轴抛物面镜、太赫兹聚焦透镜等光学器件将信号汇聚至太赫兹探测端。首先，这样的设置会导致庞大的系统体积，不利于系统集成。其次，这样的设置需要在系统中部署复杂的光路，不仅调节复杂，且抗干扰能力差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种紧凑式的太赫兹产生与探测器件，包括：
光纤：用于导入外部激光；
双光纤平行耦合器，用于连接光纤并固定光纤纤维；
光束指向控制器，用于传导光纤输出的激光并调整激光输出位置；
太赫兹功能芯片，具有太赫兹产生区域和太赫兹探测区域，分别用于产生太赫兹信号与探测太赫兹信号；
太赫兹汇聚透镜，用于减小所述太赫兹产生区域出射的太赫兹辐射的发散角，并将经由样品表面反射回的太赫兹辐射汇集至所述太赫兹探测区域。
所述双光纤平行耦合器使两根光纤的纤芯平行且具有合适的距离，使光纤输出端与光束指向控制器的输入端重合。
所述光束指向控制器使两束激光以极短的间距输出至太赫兹功能芯片上，两束激光分别对准所述太赫兹功能芯片上的太赫兹产生区域和太赫兹探测区域。
所述太赫兹功能芯片包括太赫兹芯片基底，用于在其表面制作太赫兹产生电极和太赫兹探测电极，其表面被激光激励时会产生光生载流子。
所述太赫兹产生电极，用于为所述太赫兹产生区域的激光激励区施加电压偏置，芯片基底上的光生载流子在电压偏执的作用下运动并辐射出太赫兹信号。
所述太赫兹探测电极，用于在所述太赫兹探测区域被激光激励时将入射的太赫兹信号转换为电流信号，芯片基底上的光生载流子在入射的太赫兹信号的作用下运动产生光电流。通过同轴电缆将所述光电流导出作为采集数据。
所述外部激光的波长为1550nm。
所述太赫兹汇聚透镜为超半球高阻硅透镜，将所述太赫兹功能芯片贴在所述超半球高阻硅透镜的圆心处，并以紫外胶固定，使射出的太赫兹信号与射回的太赫兹信号以平行于透镜中轴的路径传播。
所述太赫兹探测电极为对数螺旋结构。
本发明的有益效果：
本发明所述技术方案优点在于通过双光纤平行耦合器与光束指向控制器将独立的太赫兹产生器件与太赫兹探测器件集成为一个紧凑器件，无需后续光路调节即可直接对样品进行垂直测量，在保证系统性能的前提下大幅缩小了太赫兹光谱系统体积，有效拓展了太赫兹光谱技术的应用领域。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明提供的一种紧凑式的太赫兹产生与探测器件结构示意图。
图2为本发明提供的一种紧凑式的太赫兹产生与探测器件中太赫兹功能芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供一种紧凑式的太赫兹产生与探测器件，如图1所示，包括：
光纤，用于导入外部激光。在本发明实例中，选用与波长为1550nm的激光匹配的保偏光纤，该波长为光纤耦合形式的太赫兹产生探测器件的常用波长，使用保偏光纤以减小外部激光偏振态对太赫兹功能芯片的影响。
双光纤平行耦合器，用于连接两根光纤并固定其光纤纤芯位置。在本发明实例中，由于后续的光束指向控制器仅能在小范围内改变光束位置，所以需要尽量让两根光纤贴近，因此在光纤连入后，需要剥离光纤包层，仅将光纤纤芯包裹在双光纤平行耦合器中。由于双光纤平行耦合器与光束指向控制器需紧密贴合，两者连接表面需打磨抛光处理，以保证纤芯输出端与光束指向控制器的输入端精确重合，使光纤输出的激光能以较小损耗进入光束指向控制器中。
光束指向控制器，用于传导光纤输出的激光并调整激光输出位置。在本发明实例中，选择光波导器件作为光束指向控制。光纤纤芯的标准直径为125μm，则两束纤芯之间的最小间距为125μm。以频段为(0.1～3)THz的太赫兹信号为例，其波长为(0.1～3)mm。当输入的激光光束间距与太赫兹信号的波长接近时会在太赫兹功能芯片上引发干扰谐振，辐射出的太赫兹信号会在所述谐振的干扰下急剧恶化。所以通过光波导器件，将激光间距从125μm缩短至60μm，再将短间距的两束激光分别射入太赫兹产生区域与太赫兹探测区域上。
太赫兹功能芯片，用于产生太赫兹信号与探测太赫兹信号。如图2所示，芯片包括太赫兹芯片基底，用于在其表面制作太赫兹产生电极与太赫兹探测电极，其表面被激光激励时会产生光生载流子。在本发明实例中，对应波长为1550nm的激光，则太赫兹芯片基底选择InGaAs/InAlAs超晶格材料，该材料在1550nm激光的激励下产生的光生载流子会极为活跃，使产生的太赫兹信号功率更高，接收到的太赫兹信号信噪比更大。
芯片还包括太赫兹产生电极与太赫兹探测电极。太赫兹产生电极用于为太赫兹产生区域的激光激励区施加电压偏置，芯片基底上的光生载流子在电压偏置的作用下运动产生太赫兹辐射。在本发明实例中，选择蝶形天线结构作为太赫兹产生电极，使用供电电路为太赫兹产生电极供电，该结构在同等光功率的激光的激励下可以辐射出更大功率的太赫兹信号。太赫兹探测电极用于在太赫兹探测区域被激光激励时将入射的太赫兹辐射转换为电流信号，芯片基底上的光生载流子在入射的太赫兹辐射的作用下运动产生光电流，光电流通过采集电路经同轴电缆将电流导出作为采集数据。在本发明实例中，选择对数螺旋结构作为太赫兹探测电极，该结构能以更高的动态范围探测到太赫兹信号。
太赫兹汇聚透镜，用于减小太赫兹产生区域出射的太赫兹辐射的发散角，并将经由样品表面反射回的太赫兹辐射汇聚至太赫兹探测区域中。由于太赫兹信号在太赫兹产生电极附近产生后，需要穿过太赫兹芯片基底向外辐射，辐射的过程中发散角较大。若样品体积较小且不对出射的太赫兹信号加以汇聚，太赫兹信号辐射到样品表面的能量就会很小，反射回的太赫兹信号中携带的样品信息也会很少。同理，如果不对反射回的太赫兹信号加以汇聚，太赫兹探测区域上接收到的太赫兹信号能量就会很少，采集数据的信噪比就会极低，有用信息会淹没在噪声中。在本发明实施例中，选择超半球透镜作为太赫兹汇聚透镜，将太赫兹功能芯片贴在超半球高阻硅透镜的圆心处，并以紫外胶固定，则出射的太赫兹信号与反射回的太赫兹信号会以几乎平行于透镜中轴的路径传播。透镜材料选择高阻单晶硅，该材料对太赫兹辐射的吸收极小，能保证太赫兹辐射在穿过太赫兹汇聚透镜后损耗较小。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术、术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种紧凑式太赫兹产生与探测器件，包括：
光纤，用于导入外部激光；
双光纤平行耦合器，用于连接光纤并固定光纤纤维；
光束指向控制器，用于传导光纤输出的激光并调整激光输出位置；
太赫兹功能芯片，具有太赫兹产生区域和太赫兹探测区域，分别用于产生太赫兹信号与探测太赫兹信号；
太赫兹汇聚透镜，用于减小所述太赫兹产生区域出射的太赫兹辐射的发散角，并将经由样品表面反射回的太赫兹辐射汇集至所述太赫兹探测区域。
2.根据权利要求1所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述双光纤平行耦合器使两根光纤的纤芯平行且具有合适的距离，使光纤输出端与光束指向控制器的输入端重合。
3.根据权利要求1所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述光束指向控制器使两束激光以极短的间距输出至太赫兹功能芯片上，两束激光分别对准所述太赫兹功能芯片上的太赫兹产生区域和太赫兹探测区域。
4.根据权利要求1所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述太赫兹功能芯片包括太赫兹芯片基底，用于在其表面制作太赫兹产生电极和太赫兹探测电极，其表面被激光激励时会产生光生载流子。
5.根据权利要求4所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述太赫兹产生电极，用于为所述太赫兹产生区域的激光激励区施加电压偏置，芯片基底上的光生载流子在电压偏执的作用下运动并辐射出太赫兹信号。
6.根据权利要求4所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述太赫兹探测电极，用于在所述太赫兹探测区域被激光激励时将入射的太赫兹信号转换为电流信号，芯片基底上的光生载流子在入射的太赫兹信号的作用下运动产生光电流。
7.根据权利要求5所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
通过同轴电缆将所述光电流导出作为采集数据。
8.根据权利要求1所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述外部激光的波长为1550nm。
9.根据权利要求1所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述太赫兹汇聚透镜为超半球高阻硅透镜，将所述太赫兹功能芯片贴在所述超半球高阻硅透镜的圆心处，并以紫外胶固定，使出射的太赫兹信号与射回的太赫兹信号以平行于透镜中轴的路径传播。
10.根据权利要求4所述的紧凑式太赫兹产生与探测器件，其特征在于：
所述太赫兹探测电极为对数螺旋结构。
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