CN206225552U - 一种太赫兹光电导相控阵天线系统 - Google Patents

一种太赫兹光电导相控阵天线系统 Download PDF

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陈景源
林中晞
徐玉兰
林琦
苏辉
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Abstract

本实用新型涉及一种太赫兹光电导相控阵天线系统，包括激光源、光纤耦合器、光延时控制器和太赫兹光电导阵列天线；其中，所述光纤耦合器将激光源产生的泵浦光耦合到光纤中；所述光延时控制器控制光纤耦合器输出的泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光；N为大于1的自然数；所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，每一束泵浦光聚焦照射其对应的偏压天线单元后激发产生太赫兹辐射。本实用新型通过在光电导天线阵列的泵浦光光路中引进光延时控制器，通过控制辐射相位，提高了天线阵的辐射功率，改变了波束指向角。

Description

一种太赫兹光电导相控阵天线系统
技术领域
本实用新型属于太赫兹辐射技术领域，具体涉及一种太赫兹光电导相控阵天线系统。
背景技术
太赫兹(THz/terahertz)辐射(0.1THz-10THz)技术是电磁波领域的前沿领域，介于光子学领域和电子学领域之间：采用电子学的方法，0.3THz基本就是其频率上限；采用光子学的方法其效果也不尽如人意。太赫兹辐射技术因不成熟而被称为“太赫兹间隙”。相比较其他电磁波段，太赫兹具有独特的性质，在医疗、安检、材料等领域有着很大的应用前景。
大功率的太赫兹源是太赫兹技术的一个重要瓶颈，而太赫兹天线作为一种太赫兹辐射源，是研究的一个热点。一种增大辐射功率的方法是采用天线阵列技术，现有的太赫兹阵列天线主要有两种：一种基于电子学的天线阵列，一种是光电导(photoconductive)天线阵列。天线技术里面的相控阵技术除了能增加辐射功率和增益，还能通过控制各个天线单元的相位延时量，使天线的总辐射方向发生改变，达到固定天线的波束指向也能转动扫描的目的。基于电子学的天线阵列可以采用电移相的方法做成相控阵天线(Phase arrayantenna)，但是其频率上限仍在太赫兹低频段。目前太赫兹光电导相控阵天线系统还是一片空白。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种太赫兹光电导相控阵天线系统，具体技术方案如下。
一种太赫兹光电导相控阵天线系统，包括激光源、光纤耦合器、光延时控制器和太赫兹光电导阵列天线；
其中，所述光纤耦合器将激光源产生的泵浦光耦合到光纤中；
所述光延时控制器控制光纤耦合器输出的泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光；N为大于1的自然数；
所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，每一束泵浦光聚焦照射其对应的天线单元后激发产生太赫兹辐射。
进一步地，所述激光源为飞秒激光器或差频激光源。
进一步地，所述太赫兹光电导阵列天线包括微透镜阵列和N个所述天线单元；所述太赫兹光电导阵列天线接收的每一束泵浦光被微透镜阵列聚焦照射到对应天线单元的电极间隙区，从而激发各天线单元产生太赫兹辐射并干涉合成为天线阵列的总辐射；每个天线单元的两个电极之间统一加偏置电压。
进一步地，天线单元的空间分布为直线型、平面型或立体型。
进一步地，光延时控制器为玻璃薄片、光开关或电光调制器。
进一步地，当所述光延时控制器为玻璃薄片时，所述光延时控制器包括圆盘和多个工作区，多个工作区在圆盘中沿圆周方向规律分布在圆盘上，每个工作区包括N个玻璃薄片，N个玻璃薄片沿圆盘的径向设置，每个工作区包括的N个玻璃薄片在垂直光路的平面上和太赫兹光电导阵列天线的微透镜阵列形状相同。
进一步地，所述N个玻璃薄片为不同厚度的光学玻璃薄圆片，每个玻璃薄圆片上下表面平行，面积和正下方的微透镜相同。
进一步地，当所述光延时控制器为光开关时，光开关采用微纳加工而成的微镜反射型MEMS光开关阵列，用光开关控制器控制微镜反射型MEMS光开关阵列的闭合组合，得到不同的天线单元的延时量。
进一步地，当所述光延时控制器为光调制器时，光延时控制器采用电光晶体做成的光波导，在电光晶体上施加不同的电压，改变折射率，控制泵浦光延时量。
进一步地，所述系统还包括偏振分光棱镜；激光源经过偏振分光棱镜分成两束偏振光，其中一束偏振光可扩展用作太赫兹频域光谱仪的探测光，另一束偏振光被光纤耦合器平分成N束泵浦光，再把N束泵浦光分别耦合到N条z切KDP电光晶体做成的光波导中，其中光的偏振方向和电光晶体x1轴的本征偏振方向平行，光从光波导中出来后再分别耦合到太赫兹光电导阵列天线的微透镜上。
本实用新型的有益效果：本实用新型提出了太赫兹光电导相控阵天线系统，在光电导天线阵列的泵浦光光路中引进了光延时控制器，改变了泵浦光照射到天线阵上天线单元的时间差使得各天线单元辐射的太赫兹相位改变。通过控制每个天线单元的辐射相位，提高了天线阵的辐射功率，还能在使用过程中改变辐射方向图和增益系数，具有增加辐射功率、提高增益和方向图可控的特点。同时，本实用新型提出的移相方法采用了真时延，不会产生波束偏斜现象，相控阵天线能够工作在宽频带下。
附图说明
图1是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的结构图；
图2是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的波束指向角的示意图；
图3是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的实施例1的光延时控制器的结构图；
图4是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的实施例1的结构示意图；
图5是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的实施例2的结构示意图；
图6是本实用新型所提出的太赫兹光电导相控阵天线系统的实施例3的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。
本实用新型提出的太赫兹光电导相控阵天线系统如图1所示，包括激光源11、光纤耦合器12、光延时控制器13和太赫兹光电导阵列天线14。
所述激光源11用于产生一束泵浦光15。所述激光源11可以是飞秒激光器，用于产生一束脉冲式泵浦光。所述激光源11也可以是差频激光源，用于产生一束连续式拍频光。
所述光纤耦合器12用于将激光源11产生的一束泵浦光15分束或合束后耦合到光纤中。
所述光延时控制器13用于控制光纤耦合器12输出的泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光17。
其中所采用的延时方式优选采用玻璃薄片延时、光开关延时和电光调制延时三种方式。
当光延时控制器13采用光开关延时或电光调制延时方式时，所述光纤耦合器12将激光源11产生的一束泵浦光15平分成N束泵浦光16，每一束泵浦光都耦合到一条光纤中，形成N条等距光纤波导结构；该N条光纤的长度相等；其中，N为大于1的自然数，在附图中给出了N为4的示例。所述光延时控制器13控制光纤耦合器12输出的每一束泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光17。
当光延时控制器13采用玻璃薄片延时方式时，所述光纤耦合器12将激光源11产生的一束泵浦光15合成一束泵浦光16，又经过所述光延时控制器13的控制和分束，产生N束具有不同延时时间的泵浦光17。
所述太赫兹光电导阵列天线14包括微透镜阵列141和N个天线单元142，天线单元142的空间分布可以是直线型、平面型、立体型。每个天线单元142的两个电极之间统一加偏置电压。所述天线单元142可以为偏压天线单元。
太赫兹光电导阵列天线14接收从光延时控制器13输出的N束具有不同延时时间的泵浦光17，每一束泵浦光17被微透镜阵列141聚焦照射到对应天线单元142的电极间隙区，从而激发天线单元产生太赫兹辐射。同时，N个天线单元产生的太赫兹辐射干涉合成为功率更高的太赫兹辐射18输出。
太赫兹辐射18的波束指向Q与天线阵列平面的法向P之间的夹角为波束指向角θ，如图2所示。波束指向角θ的取值为：
其中，ΔL是照射到相邻天线单元的泵浦光的光程差，d是相邻天线单元A和B之间的距离。
本实用新型通过在泵浦光路中增加光延时控制器，控制每个天线单元的辐射相位，提高了辐射功率，还能在使用过程中改变辐射方向图和增益系数。
本实用新型采用的移相方法都是光学真延时技术，不会产生波束偏斜现象，天线能够工作在宽频带。
实施例1
本实施例中，光延时控制器13采用玻璃薄片延时的方式。玻璃薄片的作用是控制入射到天线单元的泵浦光延时的时间量。
所述光延时控制器13包括圆盘31和多个工作区32(图3中虚线所示)，多个工作区32在圆盘31中沿圆周方向等间隔设置，每个工作区32包括N个玻璃薄片，N个玻璃薄片沿圆盘31的径向设置，每个工作区32包括的N个玻璃薄片在垂直光路的平面上和太赫兹光电导阵列天线14的微透镜阵列形状相同。通过机械转动使每次只有一个工作区32进入到泵浦光的路径中。
图3示出了八个工作区32沿圆周方向等间隔设置在圆盘31中，每个工作区32包括4个玻璃薄片D1、D2、D3、D4的情况，图3为光延时控制器13的俯视图，虚线方框内的四个圆就是其中一个工作区32的俯视图，图4示出了其中一个工作区32的主视图。但本领域技术人员知晓，工作区32的数量和玻璃薄片的数量可以根据需要设置。
一个工作区32对应着一种波束指向角θ，一个工作区32上各个玻璃薄片的厚度分布由天线相控阵理论计算得出。
如图4所示，激光源11产生的一束泵浦光15经光纤耦合器12输出成为一束泵浦光16，在经过光延时控制器13中工作区32的第i个玻璃薄片后，引起泵浦光增加的光程差Δdi为：
Δdi＝(n-1)di，
其中，n是玻璃薄片的折射率，di是第i个玻璃薄片Di的厚度。
照射到相邻天线单元的泵浦光的光程差ΔLi＝Δdi-Δdi-1＝(n-1)Δdi,i-1＝dsinθ，则对于某一光电导天线阵列，相邻天线单元距离是固定的，因此可以计算出取某一波束指向角θ时，相邻天线单元之间所需光学玻璃薄片厚度差
对于图4所示N为4的情况，波束指向角θ为30度时，D1、D2、D3、D4光学玻璃薄片厚度分别为a、其中a为光学玻璃薄片的基础厚度。
取工作频率1THz，d取二分之一波长150微米，玻璃折射率n取1.5，则Δdi,i-1＝150微米。取a＝200微米，则D1、D2、D3、D4厚度分别为200、350、500、650微米。
制作一系列不同厚度的光学玻璃薄圆片Di并且规律分布在圆盘上，每个玻璃薄圆片上下表面平行，面积和正下方的微透镜相同，每四个玻璃薄圆片组合成一个工作区32，采用机械转动的方式，就可以把需要的一个工作区转动到泵浦光的光路中。
实施例2
在本实施例中，光延时控制器采用光开关延时的方式。
图5给出光延时控制器13采用光开关延时的结构图，该光开关51采用微纳加工而成的微镜反射型MEMS光开关阵列，用光开关控制器52控制微镜反射型MEMS光开关阵列的闭合组合，就能得到天线阵列142上泵浦光的多种延时量。从光纤耦合器12出来的每一条光纤都连接到其中一行的光开关51，经过n＝3个光开关51后最终出射到太赫兹光电导阵列天线14上的微透镜。每个光开关51可以选择光从两条长度不同的路线中的一条通过，通过3个光开关的不同组合就能得到32种不同的延时时间，即可使每一束光得到n2＝32种不同的光程差ΔL。波束指向角的控制原理参考实施例1。
实施例3
在本实施例中，光延时控制器采用电光调制延时的方式。
在此方式中，采用电光晶体做成的光波导61来延时泵浦光。在电光晶体上施加不同的电压，改变折射率，控制泵浦光延时量。
激光源11经过偏振分光棱镜62分成两束偏振光，其中一束光63可扩展用作太赫兹频域光谱仪的探测光，另一束被光纤耦合器12平分成N束泵浦光，再把N束泵浦光分别耦合到N条z切KDP电光晶体做成的光波导61中(光的偏振方向和电光晶体x1轴的本征偏振方向平行)，光从光波导61中出来后再分别耦合到太赫兹光电导阵列天线14的微透镜上。KDP晶体的波导两端施加电压V(t)会导致晶体折射率变化Δn，晶体光波导上引起的光程差就是Δnd，进而起相控作用。波束指向角的控制原理参考实施例1。
以上实施例中的太赫兹光电导阵列天线14都是以线型天线阵为例，还可以扩展成面型或立体天线阵。
以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹光电导相控阵天线系统，其特征在于，包括激光源、光纤耦合器、光延时控制器和太赫兹光电导阵列天线；
其中，所述光纤耦合器将激光源产生的泵浦光耦合到光纤中；
所述光延时控制器控制光纤耦合器输出的泵浦光的延时时间，产生N束具有不同延时时间的泵浦光；N为大于1的自然数；
所述太赫兹光电导阵列天线接收从光延时控制器输出的N束具有不同延时时间的泵浦光，每一束泵浦光聚焦照射其对应的天线单元后激发产生太赫兹辐射。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光源为飞秒激光器或差频激光源。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太赫兹光电导阵列天线包括微透镜阵列和N个所述天线单元；所述太赫兹光电导阵列天线接收的每一束泵浦光被微透镜阵列聚焦照射到对应天线单元的电极间隙区，从而激发该天线单元产生所述太赫兹辐射并干涉合成为天线阵列的总辐射；每个天线单元的两个电极之间统一加偏置电压。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，天线单元的空间分布为直线型、平面型或立体型。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，光延时控制器为玻璃薄片、光开关或电光调制器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，当所述光延时控制器为玻璃薄片时，所述光延时控制器包括圆盘和多个工作区，多个工作区在圆盘中沿圆周方向规律分布在圆盘上，每个工作区包括N个玻璃薄片，N个玻璃薄片沿圆盘的径向设置，每个工作区包括的N个玻璃薄片在垂直光路的平面上和太赫兹光电导阵列天线的微透镜阵列形状相同。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述N个玻璃薄片为不同厚度的光学玻璃薄圆片，每个玻璃薄圆片上下表面平行，面积和正下方的微透镜相同。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，当所述光延时控制器为光开关时，光开关采用微纳加工而成的微镜反射型MEMS光开关阵列，用光开关控制器控制微镜反射型MEMS光开关阵列的闭合组合，得到不同的天线单元的延时量。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，当所述光延时控制器为光调制时，光延时控制器采用电光晶体做成的光波导，在电光晶体上施加不同的电压，改变折射率，控制泵浦光延时量。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括偏振分光棱镜；激光源经过偏振分光棱镜分成两束偏振光，其中一束偏振光可扩展用作太赫兹频域光谱仪的探测光，另一束偏振光被光纤耦合器平分成N束泵浦光，再把N束泵浦光分别耦合到N条z切KDP电光晶体做成的光波导中，其中光的偏振方向和电光晶体x1轴的本征偏振方向平行，光从光波导中出来后再分别耦合到太赫兹光电导阵列天线的微透镜上。
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