ES2559682T3

ES2559682T3 - Antena y emisor/receptor de Terahercios integrados y procedimiento para su fabricación

Info

Publication number: ES2559682T3
Application number: ES07870316.2T
Authority: ES
Inventors: Jean-François Fernand LAMPIN; Emilien Pascal Peytavit
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2016-02-15
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: WO2008071863A1; FR2908931A1; JP2010510703A; US8450687B2; EP2095467A1; EP2095467B1; US20100033709A1; FR2908931B1; JP5227327B2

Abstract

Antena integrada para la emisión o la recepción de radiación en el rango de frecuencias comprendido entre 100 GHz y 3 THz, caracterizada por que incluye: - un plano de tierra conductor (PM), depositado sobre una superficie (S) denominada superior de un substrato (SB) dieléctrico o semiconductor; - una cinta conductora (RC) que se extiende por encima de dicho plano de tierra (PM) y que forma un ángulo (β) con este último, de manera que se forma una estructura radiante (SR) de tipo bocina de onda transversal electromagnética; y - una guía de onda plana (G) que incluye al menos una primera (BC1) y una segunda (BC2) bandas conductoras formadas sobre dicha superficie superior del substrato, conectadas respectivamente a dicha cinta conductora (RC) y a dicho plano de tierra conductor (PM).

Description

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DESCRIPCION

Antena y emisor/receptor de Terahercios integrados y procedimiento para su fabricacion

La invencion se refiere a una antena integrada para la emision y/o la recepcion de radiacion de Terahercios, asf como a un dispositivo emisor y/o receptor de radiacion de Terahercios que incluye una antena tal y a un procedimiento de fabricacion de dicha antena y de dicho dispositivo.

Por radiacion de Terahercios se entiende una radiacion electromagnetica cuya frecuencia esta comprendida entre 100 GHz y 3 THz aproximadamente (1 THz = 1012 Hz = 1.000 GHz). En un sentido mas restrictivo, la radiacion de Terahercios se toma como sinonimo de radiacion submilimetrica, es decir, que tiene una longitud de onda comprendida entre 100 |im y 1 mm aproximadamente (frecuencia comprendida aproximadamente entre 300 GHz y 3 THz).

La radiacion de Terahercios constituye un dominio espectral intermedio entre las microondas y los infrarrojos. Sus aplicaciones, durante mucho tiempo marginales incluso inexistentes, estan actualmente en pleno auge. Entre estas aplicaciones, las mas importantes son la espectroscopfa y la tomograffa para la deteccion de contaminantes, para los controles no destructivos y para el diagnostico medico. Estas aplicaciones utilizan generalmente una radiacion de Terahercios que se propaga en el espacio libre: es por tanto necesario realizar emisores y receptores dotados de una antena.

Las antenas utilizadas generalmente en frecuencias de Terahercios son antenas planas, tfpicamente de tipo dipolar (dipolo de Hertz), realizadas de manera monolftica sobre el sustrato en el cual son integrados los componentes activos utilizados para la generacion o la deteccion de la radiacion y que incluyen una lente semiesferica de silicio dispuesta sobre la cara posterior del sustrato. Tales antenas estan descritas espedficamente en el documento de patente de EE.UU. US 5,789,750 y en el artfculo de G. M. Rebeiz “Millimeter-Wave and Terahertz Integrated Circuit Antennas”, Proceedings of the IEEE, Vol. 80, No. 11, pagina 1748 (1992).

Estos dispositivos presentan numerosos inconvenientes.

En primer lugar, la realizacion de la lente de silicio y su colocacion sobre el sustrato con una precision del orden de un micron con respecto a la antena es muy delicada y costosa. Por una parte, la utilizacion de una lente de acoplamiento es indispensable para evitar que la radiacion, principalmente emitida en el sustrato semiconductor, sea atrapada en este ultimo. De hecho, a pesar de la presencia de una lente de ese tipo, solamente el 21% aproximadamente de la potencia emitida por una antena plana tipo es efectivamente irradiada al espacio libre, siendo el resto atrapado y absorbido por el sustrato.

Ademas, la antena plana mas utilizada, la dipolo de Hertz, presenta una eficacia pequena y que, ademas, depende fuertemente de la frecuencia. A pesar del hecho de que estas antenas no sean realmente “de banda ancha”, han permitido, a dfa de hoy, obtener los mejores resultados en espectroscopfa de Terahercios pulsante. Por el contrario, su mediocre eficacia las hace no adaptarse a la utilizacion en regimen continuo, donde las potencias en juego son muy debiles.

El documento de patente de EE.UU. US 4,855,749 describe una antena plana de tipo Vivaldi realizada sobre sustrato de silicio, que funciona en el dominio de Terahercios y que no necesita lente de acoplamiento. Los resultados obtenidos con la ayuda de una antena de este tipo no son enteramente satisfactorios, especialmente desde el punto de vista del rendimiento energetico y de la dispersion importante de los pulsos.

El documento de patente de EE.UU. US2006/0152412 describe una antena plana que tiene una forma en espiral logantmica. Una antena de este tipo presenta un rendimiento relativamente bueno y una banda ancha, pero es muy dispersiva. En consecuencia, no es adecuada para una utilizacion en regimen pulsante.

El artfculo de V. Lubecke et al., “Micromachining for Terahertz Applications” IEEE Trans. en Microwave Theory and Tech., Vol 46, No. 11, pagina 1.821 (1.998), se refiere a antenas integradas para sistemas de Terahercios realizadas con la ayuda de tecnicas de la microtecnologfa y que supera las limitaciones de las estructuras planas. Sin embargo, las soluciones aportadas por estos metodos no son satisfactorias debido a los costes y a la complejidad de los procedimientos de fabricacion y a la fragilidad de las estructuras obtenidas. Ademas, las tecnicas utilizadas (grabado profundo, membrana dielectrica, etc.) son adecuadas esencialmente para el silicio, material que no es especialmente indicado para las aplicaciones de Terahercios.

Un objetivo de la invencion es solucionar al menos ciertos inconvenientes de la tecnica anterior.

En particular, un objetivo de la invencion es proporcionar una antena para la emision o la recepcion de radiacion de Terahercios que presente un rendimiento mas elevado que las antenas planas utilizadas comunmente.

Otro objetivo de la invencion es proporcionar una antena de Terahercios que sea facil y economica de fabricar, tambien en series grandes.

Otro objetivo de la invencion es proporcionar una antena de Terahercios de banda muy ancha y poco dispersiva.

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Una antena de este tipo puede ser adecuada para una utilizacion en regimen pulsante con pulsos muy breves (picosegundos), pero igualmente en regimen continuo, eventualmente sintonizable.

Otro objetivo mas de la invencion es proporcionar un emisor/receptor monolttico para radiacion de Terahercios, que integra una antena se ese tipo y al menos un dispositivo de generacion y/o deteccion de radiacion.

Otro objetivo mas de la invencion es proporcionar un espectrometro que puede funcionar tanto en regimen pulsante como en regimen continuo, y un analizador de gases basado en un espectrometro de este tipo.

Al menos uno de estos objetivos se alcanza por una antena integrada para la emision o la recepcion de radiacion en un rango de frecuencias comprendido entre 100 GHz y 3 THz, caracterizada por que incluye: un plano de tierra conductor, depositado sobre una superficie denominada superior de un substrato dielectrico o semiconductor; una cinta conductora que se extiende por encima de dicho plano de tierra y que forma un angulo con este ultimo, de manera que se forma una estructura radiante de tipo bocina de onda transversal electromagnetica (bocina TEM); y una grna de onda plana que incluye al menos una primera y una segunda bandas conductoras formadas sobre dicha superficie superior del substrato, conectadas respectivamente a dicha cinta conductora y a dicho plano de tierra conductor.

Segun modos de realizacion particulares de la invencion:

- La anchura de dicha cinta conductora y su distancia a dicho plano de tierra pueden ser variables en una direccion longitudinal, siendo escogida la relacion entre dicha anchura y dicha distancia de manera que se realice una adaptacion de impedancia entre dicha grna de onda plana y la estructura radiante formada por la cinta y el plano de tierra; mas particularmente, esta relacion puede mantenerse constante sobre al menos una parte de la anchura de dicha cinta conductora.

Aun mas particularmente, la anchura de la cinta conductora y su distancia al plano de tierra pueden aumentar linealmente segun dicha direccion longitudinal; dicho de otra manera, dicha cinta conductora puede presentar una forma sensiblemente triangular, con un semiangulo en el pico que esta comprendido preferentemente entre 5° y 70°.

El angulo comprendido entre dicha cinta conductora y dicho plano de tierra esta comprendido preferentemente entre 5° y 45°.

- Dicha grna de onda plana puede incluir igualmente una tercera banda conductora, igualmente conectada a dicho plano de tierra, estando dispuestas la segunda y la tercera bandas conductoras simetricamente a uno y otro lado de dicha primera banda conductora,

- Dicha cinta conductora que se extiende por encima de dicho plano de tierra y que forma un angulo con este ultimo puede tener una longitud comprendida entre 100 |im y 10 mm y, preferentemente, entre 500 |im y 5 mm.

- La antena puede incluir igualmente al menos una cuna para mantener dicha cinta conductora separada de dicho plano de tierra.

Otro objeto de la invencion es un emisor de Terahercios que incluye: una antena tal como la definida arriba; y al menos un dispositivo de generacion de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, integrado sobre el mismo substrato dielectrico o semiconductor que la antena; estando dispuesta dicha grna de onda plana para transmitir dicha senal electromagnetica del dispositivo de generacion a la estructura radiante formada por la cinta y el plano de tierra.

Otro objeto mas de la invencion es un receptor de Terahercios que incluye: una antena tal como la definida arriba; y al menos un dispositivo de deteccion de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, integrado sobre el mismo substrato dielectrico o semiconductor que la antena; estando dispuesta dicha grna de onda plana para transmitir dicha senal electromagnetico de la estructura radiante formada por la cinta y el plano de tierra al dispositivo de deteccion.

Otro objeto mas de la invencion es un espectrometro de Terahercios que incluye: un emisor de radiacion de Terahercios tal como el descrito arriba, del tipo de fotoconduccion; un receptor de radiacion de Terahercios tal como el descrito arriba, igualmente del tipo de fotoconduccion, dispuesto para recibir una radiacion de Terahercios generada por dicho emisor, despues de que esta ultima haya atravesado una region que puede contener una muestra a analizar; una primera fuente de laser pulsante; una segunda y una tercera fuentes laser continuas, de las cuales una al menos es sintonizable, pudiendo variar la diferencia de frecuencia de la radiacion emitida por dichas segunda y tercera fuentes laser en el interior de un rango comprendido entre 100 GHz y 3 THz; y un montaje optico para dirigir, de manera selectiva, o bien la radiacion emitida por dicha primera fuente laser, o bien una superposicion de las radiaciones emitidas por dichas segunda y tercera fuentes laser, sobre zonas fotoconductoras de dichos emisor y detector; incluyendo dicho montaje optico una lmea de retardo para introducir un desfase temporal variable entre los pulsos laser emitidos por dicha primera fuente y dirigidos hacia una zona fotoconductora de dicho emisor, y los pulsos laser igualmente emitidos por dicha primera fuente y dirigidos hacia una zona fotoconductora de dicho receptor.

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Otro objeto de la invencion es un procedimiento de fabricacion de una antena tal como la definida arriba que incluye las etapas siguientes:

- fabricacion de un plano de tierra y de una gma de onda plana que presenta al menos dos bandas conductoras, de las cuales una esta conectada a dicho plano de tierra, por deposicion de una primera capa de metalizacion (ME) sobre una superficie denominada superior de un substrato dielectrico o semiconductor;

- deposicion de una capa sacrificial sobre dicho plano de tierra;

- fabricacion de una cinta conductora conectada a, al menos, otra banda conductora de dicha gma de onda por deposicion de una segunda capa de metalizacion sobre dicha capa sacrificial; y

- grabado de dicha capa sacrificial para liberar dicha cinta conductora.

Segun modos de realizacion particulares:

- El procedimiento puede incluir igualmente, antes de la deposicion de dicha capa de metalizacion, una etapa de realizacion de aberturas en dicha capa sacrificial para permitir la conexion electrica y mecanica entre la cinta conductora y dicha otra banda conductora de dicha gma de onda plana.

- Dicha segunda capa de metalizacion que forma dicha cinta conductora puede presentar un espesor comprendido entre 0,1 |im y 50 |im y, preferentemente, entre 1 |im y 10 |im.

- El procedimiento puede incluir igualmente una etapa de levantamiento de dicha cinta conductora.

- El procedimiento puede incluir igualmente una etapa de fabricacion de una cuna para mantener dicha cinta conductora separada de dicho plano de tierra. En particular, esta etapa puede incluir la deposicion de una gotita de cera en estado lfquido entre la cinta conductora y el plano de tierra, y su endurecimiento subsiguiente.

- El procedimiento puede incluir igualmente una etapa de integracion sobre dicho substrato dielectrico o semiconductor de un dispositivo de generacion y/o de deteccion de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, estando conectado dicho dispositivo a la estructura radiante formada por la cinta y el plano de tierra por dicha gma de onda plana.

Otras caractensticas, detalles y ventajas de la invencion se desprenderan de la lectura de la descripcion hecha con referencia a los dibujos anexos dados a tftulo de ejemplo y que representan, respectivamente:

- las figuras 1, 2 y 3, respectivamente, una vista desde arriba, lateral y en planta de una antena integrada segun la invencion;

- la figura 4, el esquema de un experimento que demuestra el funcionamiento de una antena y de un dispositivo emisor/receptor segun la invencion;

- las figuras 5 y 6, graficas que ilustran los resultados de este experimento;

- las figuras 7A a 7G, las etapas de un procedimiento de fabricacion de la antena de las figuras 1 a 3;

- la figura 8, una vista en seccion de una antena segun una variante de la invencion; y

- la figura 9, un esquema de principio de un espectrometro de Terahercios basado en la utilizacion de antenas segun la invencion.

Mientras que las antenas integradas que funcionan en el dominio de Terahercios conocidas de la tecnica anterior son principalmente de tipo plano, la invencion se refiere a una antena tridimensional realizada sobre un substrato aislante o semiconductor con la ayuda de tecnicas fotolitograficas estandar. Mas precisamente, la antena es de tipo bocina de onda transversal electromagnetica, es decir constituida por una gma de onda acampanada formada por dos hojas conductoras superpuestas separadas por un angulo p.

En el modo de realizacion representado en las figuras 1 a 3, las dos hojas conductoras que constituyen la bocina de onda transversal electromagnetica son un plano de tierra PM, depositado sobre una superficie S de una substrato aislante o semiconductor SB, y una cinta conductora RC que se extiende por encima de dicho plano de tierra y que forma un angulo p con este ultimo. La cinta RC es sensiblemente plana y tiene una forma sensiblemente triangular con un angulo en el pico 2a. El plano de tierra PM y la cinta RC forman una gma de onda cuya impedancia es constante a lo largo de la direccion longitudinal x y no depende mas que de a y p. En el ejemplo considerado, a=23,4° y p=9,8° para una longitud total de la cinta L=3 mm, lo que da una impedancia caractenstica proxima a 50 Q, una altura total H=520 |im y una anchura de extremo de la cinta W=2,6 mm.

La impedancia caractenstica puede ser calculada por la formula aproximada siguiente, valida para W>H y para un dielectrico de permitividad igual a 1:

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„ |20jt 60jt

Zi- * ■------------------=----------------------------

c W „ tana ,

H sin P

Esta ultima formula da resultados correctos para angulos a y p inferiores a 50°. Metodos de calculo mas generales y abacos pueden ser encontrados en: R.T. Lee et al., IEEE Transaction on antennas and propagation, vol. 52, p. 315 (2.004).

En principio, los angulos a y p pueden tomar cualquier valor comprendido entre 0° y 90°, con la exclusion de los valores extremos. Sin embargo, el angulo a esta comprendido preferentemente entre 5° y 70° y el angulo p entre 5° y 45°.

La longitud de la cinta RC es un parametro importante ya que determina la frecuencia de corte inferior de la antena. Esta longitud esta comprendida generalmente entre 100 |im y 10 mm y, preferentemente, entre 500 |im y 5 mm.

La frecuencia de corte superior depende de la escala geometrica mas pequena para la cual la antena permanece homotetica. Si la cinta RC fuera perfectamente triangular, conectada a la grna de onda plana G por su punta, la anchura de banda sena entonces teoricamente infinita (en la practica, limitada solamente por las propiedades ffsicas intrmsecas de los materiales utilizados). En una estructura realizable en la practica, la frecuencia de corte superior esta determinada esencialmente por la anchura acabada de la conexion entre la cinta RC y la grna de onda G.

La forma de la cinta conductora RC puede no ser triangular, por ejemplo, su anchura W puede depender de manera no lineal de la coordenada longitudinal x. Ademas, la cinta Rc puede no ser plana, sino presentar una curvatura o deformacion: como se discutira mas adelante, de hecho, una ligera curvatura es diffcilmente evitable debido a las tensiones mecanicas internas acumuladas durante la fabricacion del dispositivo. Sin embargo, si se desea obtener una antena de banda ancha, la estructura radiante SR debe ser homotetica, es decir, presentar la misma geometna cualquiera que sea la escala a la cual esta representada; dicho de otra manera, la relacion anchura - altura W(x)/H(x) debe permanecer constante tanto como sea posible. A fin de mantener esta relacion W(x)/H(x) sensiblemente constante, y de obtener asf un funcionamiento de banda ancha incluso en presencia de una deformacion inducida por las tensiones internas, es posible escoger una cinta RC de forma generalmente triangular pero con lados curvilmeos para mantener esta relacion W(x)/H(x) sensiblemente constante.

La cinta RC esta realizada en metal altamente conductor (oro, cobre...) con un espesor s del orden de al menos algunos micrometros, por ejemplo 5 |im, por razones de resistencia mecanica. La solidez de la estructura puede ser mejorada por brazos o cunas dielectricas o incluso metalicas, que mantengan la cinta RC separada del plano de tierra PM. Una tecnica particularmente eficaz consiste en estabilizar la cinta con la ayuda de una gotita de cera de parafina fundida: un material de este tipo esta adaptado para las aplicaciones de Terahercios debido a las perdidas debiles que introduce y de su mdice de refraccion relativamente bajo, del orden de 1,5.

La estructura radiante formada por al cinta RC y el plano de tierra PM esta conectada a una grna de onda plana G formada por tres bandas conductoras: una primera banda BC1 esta conectada a la cinta RC y transporta la senal destinada a ser emitida o la senal recibida, mientras que una segunda y una tercera bandas, BC2 y BC3, dispuestas simetricamente a uno y otro lado de la primera banda, estan conectadas al plano de tierra PM. De hecho, se puede considerar que la cinta RC es una prolongacion de la primera banda BC1 y que el plano de tierra PM esta formado por el alargamiento y la union de la segunda y la tercera bandas. Se comprende que es ventajoso que la impedancia caractenstica de la grna G sea sensiblemente igual a la de la estructura radiante SR, a fin de evitar perdidas por reflexion a nivel de la transicion entre las dos estructuras.

En el ejemplo considerado, las tres bandas tienen la misma anchura L-i=L2=L3=10 |im, con una separacion D-i2=D-i3 de 6 |im entre cada una de las bandas laterales BC2, BC3 y la banda central BC1. La anchura total de la grna G debe ser lo mas pequena posible a fin de minimizar las perdidas por radiacion.

La longitud Lt que separa el punto de separacion de la cinta RC de la superficie S y el lado posterior del plano de tierra PM es otro parametro que debe ser optimizado a fin de minimizar las perdidas por reflexion a nivel de la transicion entre la grna G y la estructura radiante SR. En principio, esta longitud debena ser lo mas pequena posible, de manera compatible con las tensiones de fabricacion y la necesidad de evitar cualquier contacto electrico directo entre la cinta RC y el plano de tierra PM. En el ejemplo considerado, Lt ha sido escogida, de una manera muy prudente, igual a 20 |im. Mejores resultados pueden ser obtenidos utilizando una longitud de separacion de algunos micrometros, por ejemplo Lt=5 |im.

El substrato SB esta realizado en un material dielectrico o semiconductor, preferentemente que presenta perdidas relativamente debiles en el dominio espectral de interes y un mdice de refraccion lo mas bajo posible para minimizar el efecto de atrapamiento de radiacion. Ejemplos de substratos adaptados son AsGa semiaislante (utilizado en el ejemplo de las figuras 4 a 6), Si, IP, SiC, cuarzo, diamante, vidrio, etc. En la practica, la eleccion del substrato esta ligada, por un lado, a consideraciones tecnologicas y, por otro lado, a la necesidad de integrar, sobre este mismo substrato, al menos un elemento activo de generacion y/o de deteccion de radiacion de Terahercios. Este elemento

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activo puede ser un fotodetector, un fotodiodo, un diodo PIN, de efecto tunel resonante, de contacto Schottky, etc., en cuyo caso el substrato SB debe ser de tipo semiconductor; puede igualmente tratarse simplemente de una capa delgada de semiconductor polarizado por electrodos metalicos, principalmente en el caso de un generador fotoconductor o de un detector de efecto Franz-Keldysh, en cuyo caso es posible utilizar un substrato sensiblemente aislante, por ejemplo, de cuarzo o de vidrio.

Un aspecto destacable de la invencion es que la radiacion se hace directamente en el aire, y no en el substrato: por esta razon, la utilizacion de una lente de acoplamiento no es necesaria. Por otro lado, la importancia de las propiedades del substrato (constante dielectrica, perdidas...) es menor que en el caso de los dispositivos de la tecnica anterior, lo que deja mas margen de maniobra al disenador para escoger el material mas adaptado desde el punto de vista tecnologico y/o para la realizacion de los elementos activos.

A primera vista, la antena de la invencion presenta una semejanza con la descrita en el artfculo de J.C. Langer et al, “Micromachined Reconfigurable Out-of-Plane Microstrip Patch Antenna Using Plastic Deformation Magnetic Actuation”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 13, No 3, pagina 120 (2003). Esta antena presenta una estructura radiante formada por una placa conductora de forma sensiblemente rectangular que se extiende por encima de la superficie superior de un substrato dielectrico formando un angulo con este ultimo, y un plano de tierra conductor depositado sobre la superficie inferior de este mismo substrato. La placa sobre la superficie superior y el plano de tierra sobre la superficie inferior son de hecho prolongaciones de una lmea de transmision de microbandas que trae las senales a la antena. Esta antena no es, hablando con propiedad, de tipo bocina, sino constituye mas bien una variante de una antena de microbandas. Esta presenta, por este hecho, una banda relativamente estrecha, del orden de 5%, centrada en 25 - 28 GHz, es decir, a frecuencias alejadas de la banda de Terahercios. Por otro lado, como en toda antena de microbandas, el substrato participa en la radiacion, lo que no es molesto en el dominio espectral considerado (ondas centimetricas), pero conducina a perdidas muy elevadas y a un efecto pronunciado de guiado de ondas emitidas si se intentase utilizarla para frecuencias de Terahercios.

La figura 4 muestra un esquema de un sistema emisor/receptor monolttico segun la invencion, del tipo de fotoconduccion. Un sistema de ese tipo esta constituido por una antena del tipo descrito arriba, un dispositivo activo de generacion de radiacion de Terahercios GEN y un dispositivo activo de deteccion de radiacion de Terahercios DET, conectados a la estructura radiante SR por medio de la grna de onda plana G. En un experimento demostrativo, el sistema de la figura 4 es utilizado como radar monostatico para medir la distancia entre la antena y un objetivo reflectante C situado a algunos milfmetros de esta ultima.

El dispositivo de generacion GEN esta constituido simplemente por una capa de GaAs creada por crecimiento epitaxial a baja temperatura, depositada sobre las bandas conductoras BC1, BC2 y BC3 de la grna G y polarizada por una tension continua de 60 V aplicada entre BC1 y BC2/BC3 por un generador electrico DCB. En condiciones de equilibrio, la pelfcula de GaAs es sensiblemente aislante; un pulso laser LP1 de una duracion de 120 fs a 810 nm, generado por un laser Ti:Zafiro la hace conductora por un tiempo del orden de 1 ps, duracion de vida de los portadores de carga; esta brusca variacion de conductividad engendra un pulso unipolar de corriente electrica THz-P igualmente de una duracion del orden de 1 ps, que presenta entonces un espectro que se extiende hasta las frecuencias de Terahercios. Este pulso THz-P se propaga a lo largo de la grna G y es irradiado en el espacio libre por la bocina SR. Se observa que, aunque el pulso guiado THz-P sea unipolar, el pulso irradiado THz-P' no lo es, lo que es una consecuencia bien conocida de leyes del electromagnetismo.

El generador GEN esta conectado al plano de tierra PM por medio de dos condensadores de base Si3N4 (no representados) que interrumpen las bandas P2, P3. En efecto, si se aplica la tension de polarizacion directamente entre la cinta CR y el plano de tierra PM, una fuerza electrostatica se ejercena entre estos dos elementos, pudiendo inducir su aproximacion.

El pulso THz-P' se propaga en el espacio libre hasta el objetivo C, constituido por un plano conductor, que la refleja hacia la antena. La deteccion del pulso reflejado se hace opticamente con la ayuda de un detector DET constituido por una capa de Al0,08Ga0,92As depositada sobre las bandas conductoras BC1, BC2 y BC3 de la grna G. Un pulso laser LP2, replica decalada temporalmente del pulso de generacion LP1, es dirigido hacia esta capa y parcialmente reflejada; debido al efecto Franz-Keldysh, el coeficiente de reflexion depende del campo electrico instantaneo en el detector, que esta dado por la superposicion de la tension continua de polarizacion y de la senal de Terahercios. Variando el retardo entre los pulsos laser de generacion LP1 y de deteccion LP2, el pulso THz-P' reflejado y captado por la antena es entonces muestreado con una resolucion temporal de sub-picosegundo, segun el principio bomba- sonda.

Las tecnicas de generacion y de deteccion de pulsos de Terahercios utilizadas en este experimento son descritas con mas detalle en los artfculos siguientes:

J.-F- Lampin et al, “Detection of picosecond electrical pulses using the intrinsic Franz-Keldysh effect”, Appl. Phys. Lett. 78, 4103 (2001); y

L. Desplanque et al., “Generation and detection of terahertz pulses using post-processing bonding of low- temperature-grown GaAs and AlGaAs”, Appl. Phys. Lett. 82, 2049 (2004).

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Como variante, es posible generar una radiacion de Terahercios continua. Para hacer esto, se utiliza, en sustitucion del pulso laser LP1, dos haces laser continuos, que presentan una diferencia de frecuencia igual a la frecuencia de la radiacion a generar. Esta tecnica, que explota la sintonizacion mecanica entre los dos haces laser, se denomina “generacion por fotomezclado” y esta descrita en el artfculo de E. R. Brown, K. A. McIntosh, K. B. Nichols, y C. L. Dennis “Photomixing up to 3.8 THz in low-temperature-grown GaAs” Applied Physics Letters vol. 66, p. 285 (1995).

El fotomezclado puede, igualmente, ser explotado para la deteccion de la radiacion de Terahercios segun una tecnica denominada deteccion homodina: vease el artmulo de G. Mouret, S. Matton, R. Bocquet, D. Bigourd, F. Hindle, A. Cuisset, J.-F. Lampin y D. Lippens, “Anomalous dispersion measurement in terahertz frequency region by photomixing“ Applied Physics Letters vol. 88, 181105 (2006).

Como variante, la radiacion de Terahercios continua puede ser detectada con la ayuda de un bolometro.

La figura 5 muestra la senal de electroabsorcion (en unidades arbitrarias a.u.) del pulso de sonda LP2 en funcion del retardo bomba-sonda (en picosegundos ps). El primer pico P1 corresponde al pulso electrico de Terahercios THz-P conducido directamente por la grna G del generador GEN al detector DET; los picos P2 y P3 corresponden a las reflexiones parasitas por la transicion G-SR y por el extremo de la bocina, respectivamente, mientras que el pico P4 corresponde efectivamente al pulso THz-P' emitido, reflejado y detectado. El recuadro muestra un detalle del pico P4 para dos posiciones del objetivo C, 5,5 mm (lmea de puntos) y 7,5 mm (lmea continua gris) del extremo de la bocina, y en ausencia de este ultimo (lmea continua negra). El tiempo de ascenso sub-picosegundo del pico P4 (de 10% a 90% en 700 fs aproximadamente) muestra la debil dispersion de la antena segun la invencion. Este caracter poco dispersivo es caractenstico de antenas de bocina de onda transversal electromagnetica.

Dividiendo la transformada de Fourier del pulso reflejado por la del pulso incidente se obtiene el coeficiente de reflexion de la antena en funcion de la frecuencia, |Sn(f)|. Como lo muestra la figura 6, este coeficiente de reflexion es inferior a -10 dB sobre una banda que se extiende de 65 GHz a 1.700 GHz (1,7 THz) aproximadamente, que demuestra el funcionamiento de banda ultra-ancha de la antena segun la invencion.

Las partes atribuibles a la propagacion a lo largo de la grna G se estiman en 4 dB para frecuencias hasta 800 GHz y pueden ser reducidas posteriormente escogiendo un substrato con una permitividad dielectrica mas debil, tal como el cuarzo.

Las figuras 7A a 7G muestran las diferentes etapas de un procedimiento de fabricacion de una antena integrada segun la invencion. En primer lugar, figuras 7A-7B, una primera capa metalica ME es depositada sobre el substrato SB y gravada por las tecnicas clasicas de la microelectronica a fin de realizar las bandas conductoras BC1-BC3 de la grna G y el plano de tierra PM. A continuacion, figura 7C, la capa metalica ME es recubierta por una capa sacrificial de resina fotosensible, en la cual son practicadas aberturas O en correspondencia con futuras conexiones electricas y mecanicas entra la cinta conductora RC y la banda conductora central BC1. Una segunda capa metalica ME2, sensiblemente mas gruesa que la primera capa ME, es depositada sobre la capa sacrificial SAC (figura 7E) para formar la cinta conductora RC. El espesor e de la capa ME2 es determinado de manera empmca. En efecto, este espesor debe ser suficiente a la vez para asegurar la solidez mecanica de la cinta RC una vez que esta ultima ya no esta soportada por el substrato y para evitar que las tensiones internas de la capa ME2 determinen una curvatura demasiado grande de esta ultima, curvatura que es inversamente proporcional al espesor e. Al mismo tiempo, un cierto nivel de curvatura resulta indispensable para segurar la liberacion de la antena: una capa ME2 demasiado gruesa se pegana al plano de tierra e impedina de este hecho el levantamiento de la cinta RC.

Por fin, como se representa en la figura 7F, la cinta RC esta liberada por sub-gravado de dicha capa sacrificial SAC. Las tensiones internas precitadas provocan un levantamiento de la cinta RC a parir de su liberacion. En general, sin embargo, este levantamiento es insuficiente para alcanzar el angulo p deseado; es, pues, necesario actuar sobre la cinta RC, por ejemplo con la ayuda de un micromanipulador. De manera opcional, se puede prever una etapa adicional de estabilizacion de la estructura radiante SR, principalmente disponiendo una gotita de parafina lfquida entre el plano de tierra PM y la cinta conductora RC; al solidificarse, esta ultima forma una cuna dielectrica CL que rigidiza la antena (figura 7G).

Como variante, como se muestra en la figura 8, la estructura de la antena puede ser mantenida por una plataforma dielectrica PD, tal como un cubo de PTFE dispuesto entre el plano de tierra PM y la cinta conductora RC y fijado con pegamento o por soldadura; en este ultimo caso, debe preverse un revestimiento metalico RM, RM', por ejemplo de cobre, sobre las superficies superior y/o inferior de la plataforma. Igualmente, en el caso de pegamento, un revestimiento de ese tipo puede ser util para separar la radiacion de Terahercios del pegamento, que sera de otro modo susceptible de introducir perdidas importantes. La utilizacion de una soldadura BR se muestra particularmente ventajosa: en efecto, cuando el metal fundido solidifica, introduce una tension mecanica de la cinta conductora RC, que la hace mas rectilmea mejorando asf las propiedades electromagneticas de la antena. Igualmente, cuando se utiliza una cuna de este tipo, puede ser util rellenar de cera el espacio comprendido entre el plano de tierra y la cinta conductora, a fin de homogeneizar la permitividad electrica en este espacio.

El o los dispositivos activos de generacion y/o deteccion de radiacion de Terahercios pueden ser fabricados al mismo tiempo que la antena, eventualmente con la puesta en comun de ciertas etapas del procedimiento de fabricacion (principalmente, las etapas de metalizacion). Como variante, la fabricacion de estos dispositivos puede

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tener lugar antes o despues de la de la antena.

Una de las aplicaciones mas prometedoras de la radiacion de Terahercios es el analisis espectrometrico, en particular de gases, por ejemplo para identificar contaminantes. En particular, dos tecnicas de espectrometna pueden ser utilizadas.

Una primera posibilidad consiste en utilizar pulsos de Terahercios breves, y portanto de banda ancha, para efectuar medidas espectroscopicas por transformada de Fourier. Esta tecnica es rapida, pero presenta una resolucion espectral baja (tfpicamente del orden de algunos GHz). Tfpicamente, para este tipo de aplicacion se utilizan antenas de dipolo.

Otra posibilidad consiste en utilizar una radiacion de Terahercios continua sintonizable obtenida utilizando la tecnica del fotomezclado, descrita mas arriba. La potencia debil de la radiacion de Terahercios asf obtenida impone la utilizacion de antenas espirales o similares. Esta tecnica permite efectuar medidas espectroscopicas de alta resolucion (algunos MHz), incluso menos), pero el barrido de rangos de frecuencias amplios necesita tiempos grandes.

La antena de la invencion presenta caractensticas electromagneticas que son adecuadas para la emision y para la recepcion de pulsos de Terahercios, pero tambien de radiacion continua sintonizable. Esto hace posible la realizacion de un espectrometro que combina las ventajas de las dos tecnicas descritas arriba.

Un espectrometro de este tipo, cuya estructura esta representada esquematicamente en la figura 9, comprende:

- un emisor de Terahercios EM, por ejemplo del tipo de la figura 4;

- un detector de Terahercios DE que puede ser, tambien el, del tipo de la figura 4;

- una celda de analisis CA destinada a contener una muestra (tfpicamente un gas) a analizar, estando dicha celda dispuesta entre el emisor y el detector;

- una fuente laser pulsante L1;

- dos fuentes laser continuas, L2 y L3, de las cuales una al menos es sintonizable;

- un montaje optico para dirigir de manera selectiva una radiacion laser generada por dicha fuente laser pulsante, o por dichas fuentes laser continuas, sobre un elemento fotoconductor de dichos emisor y detector de Terahercios. El montaje optico del detector incluye una lmea de retardo LR.

Para analizar espectralmente la muestra contenida en la celda CA, se comienza por efectuar una serie de medidas en regimen pulsante. Los pulsos laser engendrados por la fuente L1 sirven tanto para la generacion como para la deteccion de la radiacion de Terahercios, como se explico mas arriba, en referencia a la figura 4. La lmea de retardo LR introduce una desfase variable entre el pulso de generacion y el pulso de deteccion; efectuando un barrido de este desfase, se puede reconstituir la forma temporal del pulso de Terahercios recibido por el detector DE. Un espectro de banda ancha y baja resolucion puede, asf, ser calculado por transformada de Fourier.

Esta primera fase permite identificar los rangos de frecuencias en donde se situan las lmeas de absorcion que permiten caracterizar la muestra. Las medidas espectroscopicas en continuo se efectuan, entonces, en estas regiones unicamente, utilizando las fuentes laser L2 y L3, para obtener espectros de alta resolucion en estos rangos unicamente. Durante esta segunda fase, el desfase temporal introducido por la lmea de retardo LR puede ser mantenido fijo.

Dicho de otra forma, una primera fase de espectroscopia pulsante de baja resolucion permite identificar los rangos de frecuencia “interesantes”, despues se efectuan adquisiciones de alta resolucion en estos rangos.

Se comprende que la figura 9 no representa mas que un solo modo de realizacion posible de un espectrometro segun la invencion. Como variante, se puede concebir el utilizar un mismo dispositivo como emisor y detector, siendo reflejada la radiacion de Terahercios por una pantalla dispuesta detras de la celda CA. Por otro lado, la deteccion de la radiacion durante las medidas en continuo puede hacerse utilizando un bolometro.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Antena integrada para la emision o la recepcion de radiacion en el rango de frecuencias comprendido entre 100 GHz y 3 THz, caracterizada por que incluye:

- un plano de tierra conductor (PM), depositado sobre una superficie (S) denominada superior de un substrato (SB) dielectrico o semiconductor;

- una cinta conductora (RC) que se extiende por encima de dicho plano de tierra (PM) y que forma un angulo (P) con este ultimo, de manera que se forma una estructura radiante (SR) de tipo bocina de onda transversal electromagnetica; y

- una grna de onda plana (G) que incluye al menos una primera (BC1) y una segunda (BC2) bandas conductoras formadas sobre dicha superficie superior del substrato, conectadas respectivamente a dicha cinta conductora (RC) y a dicho plano de tierra conductor (PM).
2. Antena segun la reivindicacion 1, en la cual la anchura (W) de dicha cinta conductora (RC) y su distancia (H) a dicho plano de tierra (PM) son variables en una direccion longitudinal (x), siendo escogida la relacion entre dicha anchura y dicha distancia de manera que se realice una adaptacion de impedancia entre dicha grna de onda plana

(G) y la estructura radiante (SR) formada por la cinta y el plano de tierra.
3. Antena segun la reivindicacion 2, en la cual la relacion entre la anchura (W) de la cinta conductora y su distancia

(H) al plano de tierra se mantiene constante sobre al menos una parte de la anchura de dicha cinta conductora.
4. Antena segun la reivindicacion 3, en la cual la anchura (W) de dicha cinta conductora y su distancia (H) al plano de tierra aumentan linealmente segun dicha direccion longitudinal (x).
5. Antena segun una de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicha grna de onda plana (G) incluye igualmente una tercera banda conductora (BC3), igualmente conectada a dicho plano de tierra (PM), estando dispuestas la segunda (BC2) y la tercera (BC3) bandas conductoras simetricamente a uno y otro lado de dicha primera (BC1) banda conductora.
6. Antena segun una de las reivindicaciones precedentes, que incluye igualmente al menos una cuna (CL) para mantener dicha cinta conductora separada de dicho plano de tierra.
7. Emisor de Terahercios que incluye:

- una antena segun una de las reivindicaciones precedentes; y

- al menos un dispositivo (GEN) de generacion de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, integrado sobre el mismo substrato (SB) dielectrico o semiconductor que la antena;

- estando dispuesta dicha grna de onda plana (G) de la antena para transmitir dicha senal electromagnetica del dispositivo de generacion (GEN) a la estructura radiante (SR) formada por la cinta (RC) y el plano de tierra (PM).
8. Receptor de Terahercios que incluye:

- una antena segun una de las reivindicaciones 1 a 6; y

- al menos un dispositivo de deteccion (DET) de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, integrado sobre el mismo substrato (SB) dielectrico o semiconductor que la antena;

- estando dispuesta dicha grna de onda plana (B) de la antena para transmitir dicha senal electromagnetica de la estructura radiante (SR) formada por la cinta (RC) y el plano de tierra (PM) al dispositivo de deteccion (DET).
9. Espectrometro de Terahercios que incluye:

- un emisor (EM) de radiacion de Terahercios segun la reivindicacion 7, del tipo de fotoconduccion;

- un receptor (DE) de radiacion de Terahercios segun la reivindicacion 8, igualmente del tipo de fotoconduccion, dispuesto para recibir una radiacion de Terahercios generada por dicho emisor, despues de que esta ultima haya atravesado una region (CA) que puede contener una muestra a analizar;

- una primera fuente de laser pulsante (L1);

- una segunda (L2) y una tercera (L3) fuentes laser continuas, de las cuales una al menos es sintonizable, pudiendo variar la diferencia de frecuencia de la radiacion emitida por dichas segunda y tercera fuentes laser en el interior de un rango comprendido entre 100 GHz y 3 THz; y

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- un montaje optico para dirigir, de manera selectiva, o bien la radiacion emitida por dicha primera fuente laser (L1), o bien una superposicion de las radiaciones emitidas por dichas segunda (L2) y tercera (L3) fuentes laser, sobre zonas fotoconductoras (GEN, DET) de dichos emisor y detector;

- incluyendo dicho montaje optico una lmea de retardo (LR) para introducir un desfase temporal variable entre los pulsos laser emitidos por dicha primera fuente (L1) y dirigidos hacia una zona fotoconductora (GEN) de dicho emisor (EM), y los pulsos laser igualmente emitidos por dicha primera fuente (L1) y dirigidos hacia una zona fotoconductora (deT) de dicho receptor (DE).
10. Procedimiento de fabricacion de una antena segun una de las reivindicaciones 1 a 6 que incluye las etapas siguientes:

- fabricacion de un plano de tierra (PM) y de una grna de onda plana (G) que presenta al menos dos bandas conductoras, de las cuales una esta conectada a dicho plano de tierra, por deposicion de una primera capa de metalizacion (ME) sobre una superficie (S) denominada superior de un substrato (SB) dielectrico o semiconductor;

- deposicion de una capa sacrificial (SAC) sobre dicho plano de tierra (PM);

- fabricacion de una cinta conductora (RC) conectada a, al menos, otra banda conductora de dicha grna de onda por deposicion de una segunda capa de metalizacion (ME2) sobre dicha capa sacrificial (SAC); y

- grabado de dicha capa sacrificial (SAC) para liberar dicha cinta conductora (RC).
11. Procedimiento segun la reivindicacion 10 que incluye igualmente, antes de la deposicion de dicha capa de metalizacion (ME), una etapa de realizacion de aberturas (O) en dicha capa sacrificial (SAC) para permitir la conexion electrica y mecanica entre la cinta conductora (RC) y dicha otra banda conductora de dicha grna de onda plana (G).
12. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 u 11, que incluye igualmente una etapa de levantamiento de dicha cinta conductora (RC).
13. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 a 12, que incluye igualmente una etapa de fabricacion de una cuna (CL) para mantener dicha cinta conductora (RC) separada de dicho plano de tierra (PM).
14. Procedimiento segun la reivindicacion 13 en el cual dicha etapa fabricacion de una cuna (CL) incluye la deposicion de una gotita de cera en estado lfquido entre la cinta conductora (RC) y el plano de tierra (PM), y su endurecimiento subsiguiente.
15. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 a 14, que incluye igualmente una etapa de integracion sobre dicho substrato (SB) dielectrico o semiconductor de un dispositivo de generacion (GEN) y/o de deteccion (DET) de una senal electromagnetica de frecuencia comprendida entre 100 GHz y 3 THz, estando conectado dicho dispositivo a la estructura radiante (SR) formada por la cinta (RC) y el plano de tierra (PM) por dicha grna de onda plana (G).