CN116666949A - 一种谐振体耦合增强的光电导天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振体耦合增强的光电导天线，包括基板层，置于基板层正面上方的天线金属电极和置于基板层背面下方的谐振体层；所述天线金属电极与所述基板层上表面半导体形成欧姆接触，且通过外部直流偏置电极进行电连接；所述基板层上表面半导体用于产生光生载流子，并在外加电场的作用下将光生载流子输运至所述天线金属电极形成光电流，并向所述基板层背面辐射电磁波。所述谐振体层用于跟天线形成电磁耦合效应，调节光电导天线的输入阻抗以及辐射电场分布，调整谐振强度、辐射效率和辐射方向性；当所述谐振体层的谐振体数量为两个及以上时，可以产生多种电磁耦合模式。本发明具有结构简单、谐振增强、扩宽阻抗带宽和远场辐射方向好等优点。

Description

一种谐振体耦合增强的光电导天线
技术领域
本发明关于光电导天线，具体为一种谐振体耦合增强的光电导天线，属于毫米波、太赫兹光电器件技术领域。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间，通常指频率位于0.1THz至10THz频段的电磁波谱。由于太赫兹波所处频段的独特性，太赫兹波拥有很强的穿透性、高安全性以及高光谱分辨能力等独特性质。可以应用于生物传感、安全检查、医学诊断、半导体器件检测等领域。
随着技术的发展，太赫兹技术成为基础科学、国民经济和国防安全等领域的前沿技术，太赫兹频段也开始受到越来越广泛的关注。在太赫兹诸多技术的研究中，太赫兹辐射源的研究占据了很重要的位置。光电导天线是其中最广泛使用的太赫兹辐射源。当飞秒激光辐照在光电导天线两电极间隙区域(有源区)时，该区域的半导体表面会产生光生载流子，而后载流子在外加偏置电压下加速并把存储的静电势能以太赫兹波的形式辐射出去。利用光电导天线产生太赫兹辐射具有可调谐范围宽、室温工作、结构紧凑、成本较低等优点。并且由于光电导天线的收发互易性，光电导天线还可以作为太赫兹探测器。
传统的蝶形(Bow-Tie)、“H”形，螺旋形等光电导天线，在平行于天线的水平面上电磁能量均匀辐射，辐射范围广，但是辐射能量分散导致光电导天线的辐射方向性差。在THz频段内，由于光电导天线的尺寸与其工作波长有关，因此，天线的尺寸小，难以通过调节天线本身结构大小来有效调节光电导天线的输入阻抗，这就导致传统光电导天线的输入阻抗(输入端信号电压与信号电流之比)与有源区阻抗(天线金属电极间隙区域半导体阻抗)存在失配严重的问题，进而在工作频段内回波损耗(S11)大，辐射效率低。
发明内容
针对现有光电导天线产生太赫兹辐射存在辐射方向性差、回波损耗大、辐射效率低的问题，本发明提供一种谐振体耦合增强的光电导天线，能够有效地改善上述问题。
有鉴于此，本申请提供了一种谐振体耦合增强的光电导天线，由上至下依次设有天线金属电极、基板层和谐振体层。
所述天线金属电极的材料可为Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。
所述基板层包括衬底和半导体层，半导体层位于衬底的正面上方。半导体层可以是图形化的，其大小需比所述金属电极的间隙大。可选地，所述基板层的材料可以是GaAs、InP、Si等半导体材料。
可选地，所述谐振体层的材料可以是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金，也可以是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。
可选择地，所述谐振体层的谐振体个数可以是一个或多个。
所述天线金属电极与所述半导体层材料形成欧姆接触，当飞秒激光辐照在所述天线金属电极电极间隙的半导体层上时，半导体层会产生光生载流子，而后载流子在外加偏置电压下加速并把存储的静电势能以太赫兹波的形式辐射出去形成太赫兹辐射。
本发明提供的一种谐振体耦合增强的光电导天线在没有所述谐振体层时，天线的输入阻抗仅与所述金属电极的自身阻抗有关。当存在所述谐振体层时，由于所述谐振体层与天线之间的电磁模式耦合效应，天线金属电极表面电流分布发生变化，且所述谐振体层会通过电磁感应产生表面电流，达到引入寄生电感或电容的目的，从而调节光电导天线的输入阻抗。此时，天线的输入阻抗不仅跟所述金属电极的自身阻抗有关，还与所述谐振体层的自身阻抗、所述谐振体层与所述金属电极间的互耦阻抗有关。通过调节谐振体层的结构或者天线与谐振体层的间距改变两者之间的电磁耦合效应，就能实现调节天线的输入阻抗的功能。
当所述谐振体层包含单个谐振体时，例如，所述谐振体材料为Au，形状为长方体形谐振体。对于固定大小的长方体拥有其固有谐振频率，通过改变长方体的结构大小，可以调节其固有谐振频率。当长方体的固有谐振频率与天线的谐振频率一致时，谐振体与天线之间的电磁模式耦合效应最佳，此时天线的输入阻抗与有源区阻抗的阻抗匹配效果最好，可以实现由天线与谐振体层组成的整个系统的谐振增强。
当所述谐振体层包含两个及以上谐振体时，可以产生多种电磁耦合模式。例如：电偶极子模式，磁偶极子模式，电四极子模式和磁四极子模式等。与单谐振体不同的是，两个及以上谐振体时，谐振体与谐振体之间也会相互影响产生电磁耦合效应。通过改变各个谐振体的材料、几何结构和位置关系可以实现多种模式之间相互耦合，协同工作。由于不同电磁耦合模式的工作频点不同，在不同频点处的耦合效应也不同。通过多谐振体激励的多模式与天线谐振模式间的耦合，可以实现天线与多谐振体在特定频段内多个频点处出现多点谐振耦合效应，实现多频点谐振增强。通过多频点谐振增强，能展宽天线在特定频段内的阻抗带宽。
本发明提供的一种谐振体耦合增强的光电导天线在没有所述谐振体层时远场辐射方向性较差。当加入所述谐振体层时，利用所述谐振体层与天线之间的电磁耦合机制，可以改变天线辐射电场在基板层背面的分布。在整个天线系统垂直方向上实现天线辐射场与谐振体场的耦合，改变天线辐射场的方向，通过上下结构的电场耦合，将辐射电场耦合至垂直于基板层背面输出，不仅提高输出效率，且改善远场辐射方向性。以所述谐振体层加载材料为Au，形状为长方体型单谐振体为例。
如图4与图5所示，对比未加载谐振体的天线系统与加载了长方体型单谐振体的天线系统在同一频点(f＝4.8THz)基板层背面的电场分布情况。可见，加载了长方体型谐振体的天线系统在基板层背面更多的电场能量被集中在谐振体周围。这就导致加载了长方体型谐振体的天线系统的电磁辐射更集中于基板层背面，从而改善了天线的远场辐射方向性。通过改变谐振体层谐振体的形状大小、摆放位置以及数量可以调控基板层背面的辐射电场分布，从而改变天线的远场辐射方向性。
需要注意的是，当所述谐振体层为前述金属材质时，由于金属材质对电磁波具有电磁屏蔽作用，单个谐振体的大小不应比整个天线金属电极结构尺寸还要大；多个谐振体时，谐振体与谐振体之间的距离不能太小，一般距离在4微米以上。单个谐振体尺寸大小比整个天线金属电极结构尺寸还要大，或者多个谐振体之间的间距太小会对天线辐射产生很严重的电磁屏蔽，导致电磁波向基板层背面的电磁辐射减弱。
优选地，所述谐振体层的厚度为50纳米至200纳米。
优选地，所述谐振体层与所述天线金属电极之间的距离即为所述基板层的厚度，所述基板层的厚度为10微米至80微米。
优选地，所述谐振体层的谐振体为长方体，长度为10微米至20微米，宽度为1微米至3微米，高度为50纳米至200纳米。
本发明提供了一种谐振体耦合增强的光电导天线的制作方法，包括以下步骤：
S201：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在衬底上外延生长半导体层，衬底与半导体层共同组成基板层。
S202：在上述基板层的正面上方形成天线金属电极。所述天线金属电极与外延生长半导体层形成欧姆接触，并通过外部直流偏置电极进行电连接。可选地，半导体层可以通过光刻、刻蚀等方法，形成图像化的半导体层。
S203：在上述基板层的背面形成谐振体层。
可选地，步骤S203中形成所述谐振体层的方法可根据所述谐振体层的材料分为以下两种方法：
方法一：所述谐振体层的材料是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。通过光刻、蒸镀金属和剥离的方法在上述基板层背面形成所述谐振体层。
方法二：所述谐振体层的材料是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。采用磁控溅射或者电子束蒸发或PECVD的方法在上述基板层背面形成所述谐振体层。
需要说明的是，本发明具有另外一种技术方案：
将上述步骤S203替换为：
步骤一：将所述谐振体层制备在薄膜基材表面；
步骤二：将上述薄膜基材粘贴在所述基板层背面。
本发明专利的优点是：
1)本发明所述基板层上表面半导体用于产生光生载流子，并在外加电场的作用下将光生载流子输运至所述天线金属电极形成光电流，并向所述基板层背面辐射电磁波。所述谐振体层用于跟天线形成电磁耦合效应，调节光电导天线的输入阻抗以及辐射电场分布，从而调整谐振强度、辐射效率和辐射方向性；
2)当所述谐振体层的谐振体数量为两个及以上时，可以产生多种电磁耦合模式。调整谐振体结构、数量和位置关系使其与天线辐射模式产生耦合，当多个模式耦合协同工作时，能实现天线与多谐振体在特定频段内多个频点处出现多点谐振耦合效应，实现较好的阻抗匹配效果，进而实现多频点谐振增强；通过多频点谐振体增强，能展宽天线在特定频段内的阻抗带宽。
3)本发明具有结构简单、谐振增强、扩宽阻抗带宽和远场辐射方向好的优点。。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线的正面图。
图2为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线的背面图。
图3为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线的侧面图。
图4为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线基板层背面不加载谐振体层时在频点(f＝4.8THz)处的辐射电场分布图。
图5为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线基板层背面加载材料为Au的长方体型单谐振体时在频点(f＝4.8THz)处的辐射电场分布图。
图6为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线基板层背面的谐振体层不加载谐振体、加载一个材料为Au的长方体型谐振体和加载两个材料为Au的长方体型谐振体的回波损耗对比图。
图7为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线基板层背面的谐振体层不加载谐振体和加载一个材料为Au的长方体型谐振体时在频点(f＝4.8THz)处zx面上的远场辐射对比图。
图8为本发明实施例中提出的一种谐振体耦合增强的光电导天线基板层背面的谐振体层不加载谐振体和加载一个材料为Au的长方体型谐振体时在频点(f＝4.8THz)处zy面上的远场辐射对比图。
具体实施方式
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本发明公开了一种谐振体耦合增强的光电导天线，包括基板层，置于基板层正面上方的天线金属电极和置于基板层背面下方的谐振体层。所述天线金属电极与所述基板层上表面半导体形成欧姆接触，且通过外部直流偏置电极进行电连接；所述基板层上表面半导体用于产生光生载流子，并在外加电场的作用下将光生载流子输运至所述天线金属电极形成光电流，并向所述基板层背面辐射电磁波。所述谐振体层用于跟天线形成电磁耦合效应，调节光电导天线的输入阻抗以及辐射电场分布，从而调整谐振强度、辐射效率和辐射方向性；当所述谐振体层的谐振体数量为两个及以上时，可以产生多种电磁耦合模式。
如图1、图2和图3所示的一种谐振体耦合增强的光电导天线。主要包括：天线金属电极、基板层和谐振体层。图1是所述光电导天线的正面图；图2是所述光电导天线的背面图；图3是所述光电导天线的侧面图。
所述基板层为一个长方体，长方体长度为a，宽度为b，高度为h。所述基板层的材料可以是GaAs、InP、Si等半导体材料。所述基板层包括衬底和半导体层，半导体层位于衬底的正面上方。半导体层可以是图形化的，其大小需比所述金属电极的间隙大。当飞秒激光辐照在间隙区域的半导体层表面区域上时，该区域的半导体材料表面会产生光生载流子。
以碟形天线为例，天线金属电极是两个称的等腰梯形体，天线金属电极总长为c，中间间隙长度为d，等腰梯形体的上底边长为e,下底边长为f，高度为g。所述天线金属电极通过外部直流偏置电极进行电连接。当间隙区域半导体层层表面产生光生载流子时，通过外部直流偏置电极对所述天线金属电极施加直流偏置电压。而后载流子在外加偏置电压下加速并把存储的静电势能以太赫兹波的形式辐射出去形成太赫兹辐射。
所述天线金属电极的材料可为Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。
所述矩形谐振体层是长为k，宽为j，高为i的长方体。可选地，所述谐振体层的材料可以是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金，也可以是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。
可选地，所述谐振体层的谐振体个数可以是一个或多个，单个谐振体的大小不应比整个天线金属电极结构尺寸还要大；多个谐振体时，谐振体与谐振体之间的距离不能太小，一般距离在4微米以上。
可选地，所述谐振体层的谐振体形状可以是长方体、正方体、圆柱体和十字架或其他谐振结构其中一种或几种组合，利用谐振体与天线之间、谐振体与谐振体之间的电磁耦合效应，当谐振体固有谐振频率与天线的谐振频率相同时，可以实现谐振增强。
所述谐振体层可以与天线实现电磁耦合效应。当不加入所述谐振体层时，天线的输入阻抗仅与所述天线金属电极的自身阻抗有关，当加入所述谐振体层时，天线的输入阻抗不仅跟所述天线金属电极的自身阻抗有关，还与所述谐振体层的自身阻抗、所述谐振体层与所述天线金属电极间的互耦阻抗有关。由于天线与谐振体层之间的电磁耦合效应，引起天线金属电极表面电流分布发生变化，且谐振体层表面也会产生表面电流，达到引入寄生电感或电容的目的，从而调节天线的输入阻抗。通过调节谐振体层的结构或者天线与谐振体层的间距改变两者之间的电磁耦合效应，就能实现调节天线的输入阻抗的功能。并且利用所述谐振体层与天线之间的电磁耦合机制，可以改变天线辐射电场在基板层背面的分布。在整个天线系统垂直方向上实现天线辐射场与谐振体场的耦合，改变天线辐射场的方向，通过上下结构的电场耦合，将辐射电场耦合至垂直于基板层背面输出，不仅提高输出效率，且改善远场辐射方向性。
当所述谐振体层包含单个谐振体时，通过改变谐振体的材料、几何结构、摆放位置，可实现调节天线与所述谐振体层之间的电磁耦合程度来调整天线的输入阻抗。通过调整天线的输入阻抗，改变其与有源区阻抗的阻抗匹配程度，从而改变天线的回波损耗。天线的回波损耗越小，辐射效率越高，谐振越强。
当所述谐振体层包含两个及以上谐振体时，可以产生多种电磁耦合模式。包括但不仅限于电偶极子模式，磁偶极子模式，电四极子模式和磁四极子模式。通过改变各个谐振体的材料、几何结构和位置关系，使多种模式之相互耦合，协同工作。多种模式协同工作可以实现天线与多谐振体在特定频段内多个频点处出现多点谐振耦合效应，改善多个频点处的阻抗匹配效应，进而达到多频点谐振增强。通过多频点谐振增强，能展宽天线在特定频段内的阻抗带宽。
优选地，本实施例中所述天线金属电极所用材料为Au，所述基板层使用材料为GaAs，所述谐振体层所用材料为Au。所述参数中a＝20.39微米，b＝30.98微米，d＝17微米，e＝4微米，f＝10.39微米，g＝0.2微米，h＝12.79微米，i＝0.2微米；当所述谐振体层为单谐振体时j＝0.2微米，k＝18微米；当所述谐振体为双谐振体时，其中一个谐振体j＝0.2微米，k＝18微米，另一个谐振体j＝7微米，k＝10.5微米。
图4是所述光电导天线基板层背面不加载谐振体层时在频点(f＝4.8THz)处的辐射电场分布图；图5为所述光电导天线基板层背面加载单谐振体时在频点(f＝4.8THz)处的辐射电场分布图。对比未加载谐振体的天线系统与加载了长方体型单谐振体的天线系统在同一频点(f＝4.8THz)基板层背面的电场分布情况。可见，加载了谐振体的天线系统更多的电场能量被局域在谐振体周围，实现了局域场增强。
图6是所述光电导天线在不添加所述谐振体层、所述光电导天线添加所述谐振体层且加载单谐振体、所述光电导天线添加所述谐振体层且加载双谐振体时的回波损耗(S11)对比图。由图所示，在2THz至6THz频段内，加载单谐振体与加载双谐振体的谐振深度均比不加载谐振体时的要好，且加载双谐振体时出现了两个S11<-30dB的谐振锋，很好的实现了谐振增强。除此之外，不加载谐振体时，天线的S11<-10dB带宽为750GHz；加载单谐振体时，S11<-10dB带宽相比不加载谐振体时增加了374.5GHz，约增加了50％；加载双谐振体时，S11<-10dB带宽相较不加载谐振体时增加了532.4GHz，约增加了70％。
图7和图8是所述光电导天线在不添加所述谐振体层、所述光电导天线添加所述谐振体层且加载单谐振体时在频点(f＝4.8THz)的天线远场辐射方向图。从图7和图8可以看出，加载单谐振体相较不加载谐振体时的光电导天线，远场辐射能量更集中在z平面的负平面。可见加载谐振体可以改善光电导天线的远场辐射方向性。
根据本发明实施例，提供了一种谐振体耦合增强的光电导天线的制备方法，包括以下步骤：
S301：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在衬底上上生长外延层，衬底与外延层共同组成基板层。可选地，所述基板层的材料可以是GaAs、InP、Si等半导体材料。
S302：在上述基板层的正面旋涂光刻胶，然后通过曝光与显影形成所述天线金属电极。通过蒸镀金属工艺制作所述天线金属电极，最后剥离并去除光刻胶。所述天线金属电极与所述基板层表面半导体材料形成欧姆接触，并通过外部直流偏置电极进行电连接。可选地，所述天线金属电极的材料可以是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。
S303：在上述基板层的背面形成所述谐振体层。
可选地，步骤S303中形成所述谐振体层的方法根据所述谐振体层的材料分为以下两种方法：
1)所述谐振体层的材料是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。在基板层的下表面旋涂光刻胶，然后通过曝光与显影形成所述谐振体层图形。通过电镀金属工艺制作所述谐振体层，最后剥离并去除光刻胶。
2)所述谐振体层的材料是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。采用磁控溅射或者电子束蒸发或PECVD的方法在上述基板层背面形成所述谐振体层。
步骤S303还有另一种制备方案，包括以下步骤：
步骤一：在真空条件下采用真空蒸镀的方法将所述谐振体层蒸镀在薄膜基材表面。
步骤二：将上述薄膜基材通过粘结剂粘贴在所述基板层背面。
实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于包括：天线金属电极、基板层、谐振体层；其中，所述天线金属电极位于所述基板层的正面上方，所述谐振体层位于所述基板层的背面下方。
2.根据权利要求1所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：所述谐振体层的谐振体个数可以是一个或多个；谐振体形状可以是长方体、正方体、圆柱体和十字架或其他谐振体结构其中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求2所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：所述谐振体层为单个谐振体时，设计谐振体与天线的电磁模式耦合，引入寄生电感或电容，调节天线的输入阻抗；将辐射电场耦合至垂直于基板层背面输出，提高输出效率、改善辐射方向性。
4.根据权利要求2所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：所述谐振体层为多个谐振体时，谐振体与谐振体之间，以及多个谐振体与天线之间产生电磁耦合，实现在特定频段内多个频点处出现谐振增强效应，展宽阻抗带宽，并且提高输出效率、改善辐射方向性。
5.根据权利要求4所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：电磁耦合模式包括但不仅限于电偶极子模式、磁偶极子模式、电四极子模式和磁偶极子模式。
6.根据权利要求2所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：所述天线金属电极的材料可为Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金。
7.根据权利要求2所述的谐振体耦合增强的光电导天线，其特征在于：所述谐振体层的材料可为Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一或几种的合金，也可以是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。
8.一种谐振体耦合增强的光电导天线的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在衬底上生长外延层，衬底与外延层共同组成基板层。
S102：采用光刻、曝光、显影再蒸镀金属的方法在上述基板层上方形成天线金属电极。
S103：在上述基板层背面下方形成谐振体层；
形成所述谐振体层的方法根据所述谐振体层的材料分为以下两种方法：
方法一：所述谐振体层的材料是Au、Ag、Pt、Ni、Cr、Ti、Ge、Cu等高电导率的金属材料之一；采用光刻、曝光、显影再蒸镀金属的方法在上述基板层下方形成所述谐振体层。；
方法二：所述谐振体层的材料是SiO2、SiNx、ITO、TiO2、Ta2O5、HfO等介质材料。采用磁控溅射或者电子束蒸发或PECVD的方法在上述基板层背面形成所述谐振体层。
9.一种谐振体耦合增强的光电导天线的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法在衬底上生长外延层，衬底与外延层共同组成基板层。
S102：采用光刻、曝光、显影再蒸镀金属的方法在上述基板层上方形成天线金属电极；
S103：采用真空蒸镀的方法将所述谐振体层蒸镀在薄膜基材表面；将上述薄膜基材通过粘结剂粘贴在所述基板层背面。
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