CN1326324C

CN1326324C - 利用光致短路产生亚载流子寿命导波电脉冲的器件结构

Info

Publication number: CN1326324C
Application number: CNB2004100174368A
Authority: CN
Inventors: 曹俊诚; 张同意
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2024-04-02
Also published as: CN1564458A

Abstract

本发明涉及一种利用光致短路产生亚载流子寿命导波电脉冲的器件结构，属于太赫兹脉冲产生技术领域。所采取的方案是：在光电导材料衬底上利用标准光刻技术制作共面波导传输线电路，其中外加偏置电压的线上制作一个光电导缝隙，把一直角三角棱镜在此缝隙处跨置于接地线和充电线上，利用超短光脉冲照射缝隙及信号线与接地线之间的区域·光脉冲照明缝隙使光电导开关闭合，形成电信号输出，经三角棱镜延迟到达的光脉冲使信号线与接地线短路，截断输出的电信号，形成电脉冲输出，电脉冲的宽度由光延迟时间决定，从而可产生亚载流子寿命的导波电脉冲。本发明可用于需要超快信号的领域，如太赫兹脉冲光谱学、集成电路超宽带特性的测定等。

Description

利用光致短路产生亚载流子寿命导波电脉冲的器件结构

技术领域

本发明涉及一种利用光致短路产生亚载流子寿命导波电脉冲的器件结构，属于太赫兹脉冲产生技术领域。

背景技术

太赫兹超宽带电路性能的检测和超宽带雷达的实现都离不开超短电脉冲的产生，利用光电子技术产生超短电脉冲的方法克服了纯电子学技术的局限性。利用光电子技术产生超短电脉冲的技术，主要有两种方案，一种是把光电导开关制作在微波传输线路上，通过利用超快光脉冲的激励，产生沿传输线传播的导波电脉冲。另一种方案是在光电导体上制作偶极辐射天线，当用超快激光脉冲照射外加偏置电压的偶极天线缝隙时，光生载流子在外加偏置电压的作用下形成瞬变浪涌电流，瞬变的浪涌电流产生超快的电磁辐射脉冲，通过偶极天线辐射到自由空间。利用光电导开关和光电到天线产生的超短脉冲的主要区别在于，利用光电导天线产生的电脉冲的宽度主要由激励光脉冲的宽度决定，而利用光电导开关产生的超短导波脉冲的宽度主要由光生载流子的寿命决定。自Auston在微带电路中引入光电导开关产生超短导波电脉冲以来，利用传输线电路中的光电导开关产生超短电脉冲的技术取得了很大的进展。采用辐照损伤硅或低温生长砷化镓等短载流子寿命光电导材料制作光电导开关，结合飞秒激光器，产生皮秒和亚皮秒的超短导波电脉冲已是较容易的事。这种方法产生的超短导波电脉冲通常受到载流子寿命的限制而不能达到更短。采用光电导天线产生自由空间太赫兹脉冲的方法产生的自由空间超短电脉冲的宽度主要由激励光脉冲的宽度决定，而与光电导材料的光生载流子寿命关系不大，因而可以产生亚载流子寿命的超短太赫兹脉冲，但这种方法产生的超短电脉冲通常只有极低的功率。这两种方案各有千秋，各有所长。辐射到自由空间的太赫兹超短电磁脉冲，由于损耗和色散较小，能保持其超宽带性质，通过采用自由空间电光采样或光电导偶极天线对其探测，用于形成时域太赫兹频谱技术、太赫兹脉冲成像和断层扫描成像技术。而通过产生沿传输线传播的导波超短电脉冲，可用于测量各种超快电路的宽带性质。

光电导体中光生载流子的寿命限制了所能产生的导波电脉冲的宽度，常用光电导体的光生载流子寿命为纳秒和皮秒量级，要产生更短的脉冲需要采用经过特殊处理(如辐照损伤)的材料或低温分子束外延生长的材料，大大增加了成本。本发明人提出了能否利用光致电路短路的方法，产生亚载流子寿命的太赫兹超短电脉冲的设想，以克服现有技术存在的诸多缺点，于是引出本发明的构想。

发明内容

本发明的目的提供一种利用光致短路产生亚载流子寿命的导波电脉冲的器件结构，它是从采用光致电路短路来产生太赫兹超短导波电脉冲，可以把导波电脉冲的宽度减小到光生载流子寿命以下，只需用一般的光电导材料就可以产生极短的电脉冲，克服传统光电导开关产生的电脉冲脉冲宽度受光生载流子寿命限制的缺点思路出发。本发明利用光波在三角棱镜中自然形成的传播时间延迟特性，采用特殊设计的电路，形成光脉冲诱导电路断路的方法，产生亚载流子法，产生亚载流子寿命的太赫兹导波电脉冲。提供了一种利用光致短路产生压载流子寿命的导波电脉冲的器件结构及制作方法。

本发明的目的是通过以下方法具体实施的：

在半绝缘光电导衬底上采用标准光刻技术制作金属共面传输线电路，传输线电路本身也就是外加偏压的电极，利用直流电源给加直流偏压。在其中的信号线上制作一个缝隙，以构成光电导开关的激励区。把一个直角三角棱镜放置在此缝隙处，跨放在共面线之间，其中较厚部分放置于接地线一边。入射的激励光脉冲扩束至不仅能覆盖信号线上的光电导缝隙，而且能覆盖信号线和接地线之间的区域。用飞秒激光脉冲穿过三角棱镜照明缝隙和信号线与接地线之间的区域，由于光脉冲在介质棱镜中的传播速度慢于在自由空间中的传播速度，三角棱镜的高度差会造成激励光脉冲到达信号线和接地线由一个时间差。飞秒激光脉冲首先照明光电导缝隙，光生载流子使光电导开关导通，产生一个沿传输线传播的阶跃电压，经过一段延迟，激励光脉冲穿过棱镜较厚的部分也到达光电导体的表面接地线处，从而在信号线与接地线之间均产生光生载流子，这会使信号线与接地线之间短路，信号线与接地线之间电阻变化造成的失配会使电压反射造成一个相反的阶跃电压输出，从而在电路上形成一个方形脉冲。由于三角棱镜造成的光到达信号线和接地线之间的时间差很短，因而形成的输出电脉冲宽度也极短。

本发明提供的器件结构特征在于：1.总结构包括：(1)它由光电导材料衬底、共面波导传输线、三棱镜、直流电源、激光器组成；(2)共面波导传输线位于光电导衬底材料的表面，偏压和信号线上存在有一个缝隙，用于激光照射；(3)缝隙处放置三角棱镜作为光延迟器横跨在信号线和接地线之间，三角棱镜较薄的部分放置在偏压与信号线一侧，较厚的部分放置在接地线一侧。2.共面波导传输线的信号线上500微米左右宽的缝隙具体为450-550微米范围，以用于激光照射，使电路导通产生脉冲。3.共面波导传输线的的间距约为10～100微米。4.激光光斑大于共面波导传输线的间距以引起传输线的光致短路，以截断电脉冲信号，产生短脉冲。5.共面波导传输线的信号线和接地线间有光延迟器件，使光到达接地线比到达线号线有时间延迟。6.共面波导传输线的信号线和接地线间的光延迟器件采用了三角棱镜，利用三角棱镜使光到达接地线和信号线有延迟。7.结构安排和制作工艺步骤是：(1)在光电导材料衬底上制作共面传输线；(2)在留有缝隙处放置并固定光延迟器(三角棱镜)；(3)外加偏置直流电源；(4)用激光照射缝隙及其到接地线的区域。

本发明提供的器件结构是采用现有技术，具体制作工艺为：

本发明与传统光电导开关不同之处在于，传统光电导开关的断开由光生载流子的复合来达到，因而所产生的电脉冲的下降沿主要由载流子的寿命决定。而在本发明中，利用同一束光脉冲使传输线导通和使电短路。所得到的电脉冲的宽度由光穿过三角棱镜的不同厚度的时间差决定，而不再由光生载流子的寿命来决定。设所用三角棱镜材料的相对介电常数为ε_r，则光在该材料中的传播速度为 (c为光速)，设三角棱镜在接地线和信号线之间的高度差为h，则光穿透这段高度差造成的延迟时间为

，近似为输出的脉冲宽度.

附图说明

图1为采用的共面传输线电路结构图。

图2为共面传输线外加偏置电压方式的示意图。

图3为三角棱镜放置方式示意图。

1：金属膜；2：信号线缝隙；3：光电导衬底；4：电线；5：直流电源；6：三角棱镜；7：入射光脉冲。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步说明发明实质性特点和显著的进步。

实施例1：

如图4所示在半绝缘光电导衬底3上采用标准光刻技术制作金属共面传输线电路，传输线电路本身也就是外加偏压的电极，利用直流电源5给加直流偏压(图2)。在其中的信号线上制作一个缝隙2，以构成光电导开关的激励区。把一个作为光延迟器的直角三角棱镜6放置在此缝隙处，跨放在共面线之间，其中较厚部分放置于接地线一边(图3)。入射的激励光脉冲扩束至不仅能覆盖信号线上的光电导缝隙，而且能覆盖信号线和接地线之间的区域。用飞秒激光脉冲7穿过三角棱镜照明缝隙和信号线与接地线之间的区域，由于光脉冲在介质棱镜中的传播速度慢于在自由空间中的传播速度，三角棱镜6的高度差会造成激励光脉冲到达信号线和接地线由一个时间差。飞秒激光脉冲首先照明光电导缝隙，光生载流子使光电导开关导通，产生一个沿传输线传播的阶跃电压，经过一段延迟，激励光脉冲穿过棱镜较厚的部分也到达光电导体的表面接地线处，从而在信号线与接地线之间均产生光生载流子，这会使信号线与接地线之间短路，信号线与接地线之间电阻变化造成的失配会使电压反射造成一个相反的阶跃电压输出，从而在电路上形成一个方形脉冲。

具体的说，激励光脉冲是采用钛宝石飞秒激光器，脉冲宽度为100飞秒，中心波长800纳米。采用硅衬底材料作为光电导体，在硅衬底上制作宽度为5微米、间距为10微米的共面传输线(图1)，在偏压和信号线上制作一个500微米的缝隙2。给共面传输线加上直流偏压。在缝隙处放置一直角三角棱镜6。三角棱镜的部分放在偏压与信号线一侧，较厚的部分放置在接地线一侧。三角棱镜6在接地线和信号线之间形成15微米的厚度差，形成100飞秒左右的光延迟。用选定的激光器透过三角棱镜激励光电导开关缝隙和信号与接地线之间的区域，在输出端获得100飞秒左右的的太赫兹超短电脉冲输出。

实施例2：

制作宽度为5微米，间距为50微米的共面传输线，其它同实施例1，在输出端获得0.5皮秒宽的太赫兹脉冲。

实施例3：

其它如实施例1，采用不等腰直角三角形，在接地线和信号线之间形成30微米的厚度差，在输出端获得200飞秒宽的太赫兹脉冲。

Claims

1.一种利用光致短路产生亚载流子寿命的导波电脉冲的器件结构，其特征在于(1)它由光电导材料衬底、共面波导传输线、三棱镜、直流电源、激光器组成；(2)共面波导传输线位于光电导衬底材料的表面，偏压和信号线上存在有一个缝隙，用于激光照射；(3)缝隙处放置三角棱镜作为光延迟器横跨在信号线和接地线之间，三角棱镜较薄的部分放置在偏压与信号线一侧，较厚的部分放置在接地线一侧；

所述的共面波导传输线的信号线上缝隙的宽度为450-550微米，使电路导通产生脉冲；共面波导传输线的的间距为10～100微米。

2、按权利要求1所述利用光致短路产生亚载流子寿命的导波电脉冲的器件结构，其特征在于激光光斑大于共面波导传输线的间距以引起传输线的光致短路，以截断电脉冲信号，产生短脉冲。

3、按权利要求1或2所述利用光致短路产生亚载流子寿命的导波电脉冲的器件结构，其特征在于共面波导传输线的信号线和接地线间的光延迟器件采用三角棱镜，利用三角棱镜使光到达接地线和信号线有延迟，电脉冲宽度由光穿过三角棱镜的不同厚度的时间差决定。

4、按权利要求3所述利用光致短路产生亚载流子寿命的导波电脉冲的器件结构，其特征在于三角棱镜的延迟时间为

式中为ε_r为三角棱镜材料的相对介电常数，c为光速，h为三角棱镜在接地线和信号线之间高度差。