CN117559197B - 一种卫星载荷模块6g波段辐射源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种卫星载荷模块6G波段辐射源，包括：太赫兹量子级联激光器、发射端方孔、两层透射衬底以及发射透镜；太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有高反射膜，太赫兹量子级联激光器的发射端设置有发射端方孔，其尺寸由6G波段频率确定；发射端方孔设置于谐振腔腔体中；两层透射衬底设置于发射端方孔内，且位于发射端方孔的第一端口处，发射透镜设置于发射端方孔的第二端口处；其中，两层透射衬底包括：第一层衬底和第二层衬底，第一层衬底是用于实现色散补偿的超表面，第二层衬底位于第一层衬底下方的硅基底上，第二层衬底是用于聚焦准直的硅基底上的纳米膜。本申请可以降低激光器损耗，提高激光器的输出功率。
Description
技术领域
本申请属于太赫兹源技术领域，特别涉及一种卫星载荷模块6G波段辐射源。
背景技术
6G作为第六代移动通信技术以其宽带频谱、快速传输速率以及更强的安全性，受到了广泛科研人员的关注。随着近年来太赫兹技术的飞速发展，太赫兹技术应用于卫星通讯的需求日益增加，然而，如何将太赫兹装置小型化、集成化成为实现卫星荷载模块高性能6G波段辐射源的重要研究方向。
目前，用于产生超快激光的超快激光器难以小型化、轻量化，不利于卫星搭载。因此在应用于卫星搭载模块迫切需要一种稳定性高、集成化小型化、多功能的6G波段辐射源。
基于上述问题，提出了本申请的一种卫星荷载模块6G波段辐射源。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本申请提供了一种卫星载荷模块6G波段辐射源，解决现有的太赫兹源搭载于卫星中所存在的稳定性低、不能集成化小型化、功能较少等问题；其利用量子级联激光器谐振腔腔体两侧均镀有高反射膜，并在发射端开一发射端方孔，降低了激光器损耗，提高激光器输出功率。
本申请所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本申请实施例提供一种卫星载荷模块6G波段辐射源，包括：
太赫兹量子级联激光器、发射端方孔、两层透射衬底以及发射透镜；
所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有高反射膜，所述太赫兹量子级联激光器的发射端设置有发射端方孔，所述发射端方孔的尺寸由6G波段频率确定；
所述发射端方孔设置于所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中；所述两层透射衬底设置于所述发射端方孔内，且位于所述发射端方孔的第一端口处，所述发射透镜设置于所述发射端方孔的第二端口处；
其中，所述两层透射衬底包括：第一层衬底和第二层衬底，所述第一层衬底是用于实现色散补偿的超表面，所述第二层衬底位于所述第一层衬底下方的硅基底上，所述第二层衬底是用于聚焦准直的硅基底上的纳米膜；
所述第一层衬底包含多种亚波长结构；
所述第二层衬底满足的相位分布条件为：
；
其中，其中n10为所述第二层衬底的衬底材料折射率，k0为太赫兹波在真空中的波矢，f为所述纳米膜的焦距。
在一些实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有的高反射膜包括：铝膜、银膜或者金膜。
在一些实施例中，所述第一层衬底是通过色散补偿相位结构来实现色散曲线修正，并利用一个波段内对应的太赫兹波亚波长结构进行调制，实现宽带太赫兹频谱色散补偿。
在一些实施例中，所述纳米膜包括亚波长结构和10 nm石墨烯薄膜。
在一些实施例中，所述亚波长结构的特征尺寸为0.28 THz对应波长的0.01倍到0.1倍。
在一些实施例中，所述亚波长结构的形状为N个扇形中的阵列圆柱结构，扇形的个数由太赫兹波的宽谱确定，其中，N为整数。
在一些实施例中，所述第一层衬底与所述第二层衬底之间的距离与所述第二层衬底焦距相关。
在一些实施例中，所述第一层衬底的基底厚度与所述第二层衬底的基底厚度均为10μm，所述第一层衬底与所述第二层衬底的衬底材料为硅、蓝宝石以及石英中的任意一种。
在一些实施例中，所述发射透镜用于将准直的太赫兹波发射到自由空间中。
在一些实施例中，所述发射端方孔的尺寸为2.5 μm×2.5 μm。
通过本申请实施例提供卫星荷载模块6G波段辐射源，其所包含的量子级联激光器谐振腔腔体两侧均镀有高反射膜，并在发射端开一方孔，降低了激光器损耗，提高激光器输出功率，且极大的将太赫兹辐射源小型化，利于卫星荷载。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例中的卫星载荷模块6G波段辐射源的结构示意图；
图2为本申请一实施例中的电子设备的示意框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另外定义，本申请一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
相关技术中，目前常用的产生太赫兹波的方法有电子学方法产生、光子学方法产生和超快激光产生，然而电子学方法产生的太赫兹波通常在1 THz以下，且是输出功率为数十毫瓦到毫瓦量级，而超快激光产生太赫兹波可以实现轻量化和集成化。
因此，需要采用本申请提供的卫星荷载模块6G波段辐射源来解决上述问题。
下面结合附图，详细说明本申请的各种非限制性实施方式。
图1为本申请一实施例中的卫星载荷模块6G波段辐射源的结构示意图；
首先，参照图1，对本申请的卫星载荷模块6G波段辐射源进行详细说明。
太赫兹量子级联激光器、发射端方孔、两层透射衬底以及发射透镜；
如图1所示，1表示的是太赫兹量子级联激光器的主体结构，2表示的是发射端方孔，201表示第一层衬底，202表示第二层衬底，203表示发射透镜。
示例性地，1表示的主体结构和2表示的是发射端方孔是具有交叠部分的，图中也可以看出来，交叠部分的大小多少可以根据实际的情况确定，以本领域技术人员能实现为准。
具体地，所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有高反射膜，所述太赫兹量子级联激光器的发射端设置有发射端方孔，所述发射端方孔的尺寸由6G波段频率确定；
所述发射端方孔设置于所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中；所述两层透射衬底设置于所述发射端方孔内，且位于所述发射端方孔的第一端口处，所述发射透镜设置于所述发射端方孔的第二端口处；
具体地，将靠近第一层衬底的端口称为发射端方孔的第一端口，与之相对的靠近发射透镜的端口称为发射端方孔的第二端口。
其中，所述两层透射衬底包括：第一层衬底和第二层衬底，所述第一层衬底是用于实现色散补偿的超表面，所述第二层衬底位于所述第一层衬底下方的硅基底上，所述第二层衬底是用于聚焦准直的硅基底上的纳米膜；
所述第一层衬底包含多种亚波长结构；
所述第二层衬底满足的相位分布条件为：
；
其中，其中n10为所述第二层衬底的衬底材料折射率，k0为太赫兹波在真空中的波矢，f为所述纳米膜的焦距。
示例性地，谐振腔腔体中的全反射腔体表面的全反射膜，可以例如通过分子束外延(MBE)的方法生长，将铝和金分别沉积500 nm在谐振腔腔体两侧，且未在量子级联激光器谐振腔腔体内设置微结构。
示例性地，所述发射端方孔位于谐振腔体的发射端，且尺寸为2.5 μm×2.5 μm，形成孔波导结构，其内层为真空孔径，外层包裹2 μm金属层，用于波导中反射太赫兹波，其中太赫兹波指的是6G太赫兹波；
上述的尺寸为2.5 μm×2.5 μm是示例性地，本领域技术人员所熟知的其他能够实现的尺寸也可以应用与此，对此不做限定。
本实施例的发射端方孔有利于太赫兹导波，并在结构中设置衬底用于消色散、聚焦准直，使得从发射透镜输出的信号具有很好的方向性。
示例性地，所述第一层衬底的色散补偿超表面包含多种亚波长结构；通过调节亚波长单元的大小、位置以及排列方式来实现消色散和聚焦准直。该第一层衬底可以通过面投影立体光固化的3D打印技术(Projection Micro Stereolithography)将0.01mm、0.0075mm、0.006mm、0.0043mm这四个高度的圆柱打印在2.5μm×2.5μm、高为10 μm的基底上，第一层衬底的圆柱从中心向外形成从小到大的圆周阵列。
示例性地，第二层衬底分为四个扇形象限分别单独阵列打印；所述波导金属包层通过分子束外延工艺将金属沉积石英方孔中；所述纳米薄膜可以采用化学气象沉淀法、磁控溅射、真空蒸镀法或分子束外延法，在打印的第二层衬底上沉积10 nm的石墨烯薄膜。
示例性地，卫星荷载模块6G波段辐射源可以采用在已经完善的量子级联激光器上，通过再设计，在谐振腔腔体中设计高反射膜并在发射端开方孔形成波导；整体结构不超过6 mm长度；Q量子级联激光器的长度通常在4 mm左右、方孔长度为1 mm，器件总体长度仅为5 mm左右，极大的将太赫兹辐射源小型化，利于卫星荷载。
示例性地，第一层衬底的圆柱单元的高度由其所优化的太赫兹波决定，由于其尺寸较小，在镀膜时还需结合特殊的掩模版。
具体地，包含的量子级联激光器、衬底、发射透镜所用材料在真空中具有很高的稳定性，不易损坏；且采用量子级联激光器产生太赫兹辐射用于6G通讯其功率满足条件，在低空卫星上搭载时也能满足地空通讯链接。
在一些实施例中，所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有的高反射膜包括：铝膜、银膜或者金膜。
在一些实施例中，所述第一层衬底是通过色散补偿相位结构来实现色散曲线修正，并利用一个波段内对应的太赫兹波亚波长结构进行调制，实现宽带太赫兹频谱色散补偿。
在一些实施例中，所述纳米膜包括亚波长结构和10 nm石墨烯薄膜。
在一些实施例中，所述亚波长结构的特征尺寸为0.28 THz对应波长的0.01倍到0.1倍。
在一些实施例中，所述亚波长结构的形状为N个扇形中的阵列圆柱结构，扇形的个数由太赫兹波的宽谱确定，其中，N为整数。
在一些实施例中，所述第一层衬底与所述第二层衬底之间的距离与所述第二层衬底焦距相关。
在一些实施例中，所述第一层衬底的基底厚度与所述第二层衬底的基底厚度均为10μm，所述第一层衬底与所述第二层衬底的衬底材料为硅、蓝宝石以及石英中的任意一种。
示例性地，第二层衬底上的纳米膜可以由石墨烯构成，可采用物理气象沉淀法、化学气象沉淀法、磁控溅射、真空蒸镀法或分子束外延法在第二衬底表面形成10μm薄膜。
示例性地，采用的金属波导结构由分子束外延法在较大的石英管中制备得到的孔波导，能够有效地降低太赫兹波的损耗，并有利于在对太赫兹波输出之前进行消色散、聚焦准直。
在一些实施例中，所述发射透镜用于将准直的太赫兹波发射到自由空间中。
本申请中的卫星荷载模块6G波段辐射源具有以下优点：
(1)在石英基底上衬底使用面投影立体光固化的3D打印技术进行制造，3D打印结构具有精度高、成本低、制造迅速等优点，利于高效制备微米到纳米的结构；
(2)采用谐振腔腔体镀有高反射膜的量子级联激光器结合输出方孔有利于提高激光器功率，降低损耗，且量子级联激光器更加小型化、轻量化利于集成搭载；
(3)在输出透镜前，采用衬底能够有效消色散，并准直信号，从发射透镜输出时具有较好的方向性。
需要说明的是，本申请一个或多个实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本申请一个或多个实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
需要说明的是，上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
基于同一发明构思，与上述任意实施例的卫星荷载6G波段辐射源相对应的，本申请还公开一种电子设备；
具体地，图2示出了本实施例所提供的一种利用前述任一实施例中相应的卫星荷载6G波段辐射源来进行波段辐射的方法的电子设备的硬件结构示意图， 该设备可以包括：处理器410、存储器420、输入/输出接口430、通信接口440和总线 450。其中，处理器410、存储器420、输入/输出接口430和通信接口440通过总线450实现彼此之间在设备内部的通信连接。
处理器410可以采用通用的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、微处理器、应用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案。
存储器420可以采用ROM（Read Only Memory，只读存储器）、RAM（Random AccessMemory，随机存取存储器）、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器420可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本申请实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器420中，并由处理器410来调用执行。
输入/输出接口430用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入/输出模块可以作为组件配置在设备中（图中未示出），也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
通信接口440用于连接通信模块（图中未示出），以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式（例如，USB、网线等）实现通信，也可以通过无线方式（例如，移动网络、WIFI、蓝牙等）实现通信。
总线450包括一通路，在设备的各个组件（例如，处理器410、存储器420、输入/输出接口430和通信接口440）之间传输信息。
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器410、存储器420、输入/输出接口430、通信接口440以及总线450，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本申请实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
上述实施例的电子设备用于利用前述任一实施例中相应的卫星荷载6G波段辐射源来进行波段辐射的方法，并且具有相应的实施例的有益效果，在此不再赘述。
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请一个或多个实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行利用前述任一实施例中相应的卫星荷载6G波段辐射源来进行波段辐射的方法。
本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
上述实施例的存储介质存储的计算机指令用于使所述计算机执行利用前述任一实施例中相应的卫星荷载6G波段辐射源来进行波段辐射的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本申请一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路（IC）芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以避免使本申请一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本申请一个或多个实施例的平台的（即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内）。在阐述了具体细节（例如，电路）以描述本申请的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本申请一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构（例如，动态RAM（DRAM））可以使用所讨论的实施例。
本申请一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种卫星载荷模块6G波段辐射源，其特征在于，包括：
太赫兹量子级联激光器、发射端方孔、两层透射衬底以及发射透镜；
所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有高反射膜，所述太赫兹量子级联激光器的发射端设置有发射端方孔，所述发射端方孔的尺寸由太赫兹波的频率确定，其中，所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中镀有的高反射膜包括：铝膜、银膜或者金膜，所述发射端方孔的尺寸为2.5 μm×2.5 μm，形成孔波导结构，所述孔波导结构的内层为真空孔径，外层包裹2 μm金属层，用于波导中反射太赫兹波；
所述发射端方孔设置于所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔腔体中；所述两层透射衬底设置于所述发射端方孔内，且位于所述发射端方孔的第一端口处，所述发射透镜设置于所述发射端方孔的第二端口处；
其中，所述两层透射衬底包括：第一层衬底和第二层衬底，所述第一层衬底是用于实现色散补偿的超表面，所述第一层衬底是通过色散补偿相位结构来实现色散曲线修正，并利用一个波段内对应的太赫兹波亚波长结构进行调制，实现宽带太赫兹频谱色散补偿，所述第二层衬底位于所述第一层衬底下方的硅基底上，所述第二层衬底是用于聚焦准直的硅基底上的纳米膜，其中，所述纳米膜包括亚波长结构和10 nm石墨烯薄膜，所述亚波长结构的特征尺寸为0.28 THz对应波长的0.01倍到0.1倍，所述亚波长结构的形状为N个扇形中的阵列圆柱结构，扇形的个数由太赫兹波的宽谱确定，其中，N为整数；
所述第一层衬底包含多种亚波长结构；
所述第二层衬底满足的相位分布条件为：
；
其中，其中n10为所述第二层衬底的衬底材料折射率，k0为太赫兹波在真空中的波矢，f为所述纳米膜的焦距。
2.如权利要求1所述的卫星载荷模块6G波段辐射源，其特征在于，所述第一层衬底与所述第二层衬底之间的距离与所述第二层衬底焦距相关。
3.如权利要求1所述的卫星载荷模块6G波段辐射源，其特征在于，所述第一层衬底的基底厚度与所述第二层衬底的基底厚度均为10μm，所述第一层衬底与所述第二层衬底的衬底材料为硅、蓝宝石以及石英中的任意一种。
4.如权利要求1所述的卫星载荷模块6G波段辐射源，其特征在于，所述发射透镜用于将准直的太赫兹波发射到自由空间中。
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