WO2023082189A1 - 一种太赫兹片上集成芯片及其控制方法、片上集成系统 - Google Patents
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Abstract
一种太赫兹片上集成芯片（1）及其控制方法、片上集成系统。太赫兹片上集成芯片（1）包括：通过光栅耦合微结构将闲频光波耦合进非线性材料，产生太赫兹波；将太赫兹波和剩余的闲频光波沿着多层薄膜波导结构进行传输；太赫兹长周期光栅耦合结构将太赫兹波耦合到待测生物样本上；通过光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对太赫兹波吸收特性的检测。针对生物样本检测应用的太赫兹传感器难以高质量片上集成的问题，设计了一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的芯片结构，能够保证芯片上太赫兹非线性混频的高质量产生、高效率传输和抗干扰探测，缩短太赫兹生物检测中水作用距离。
Description
本发明涉及太赫兹生物检测领域，具体而言，涉及一种太赫兹片上集成芯片及其控制方法、片上集成系统。
频率在0.1THz-10THz范围内的太赫兹波凭借其与生物大分子内部或之间的各类型相互作用力(氢键和范德华力)、骨架之间的振动或者转动的能级相匹配、穿透性好、具有指纹谱、无电离损伤等优良特性，在生物医学检测领域内具有巨大应用潜力和显著优势，已成为国内外当前的研究热点。
目前常用于生物检测的太赫兹系统是太赫兹时域光谱系统，其具有宽频性，常用于实验室生物检测研究。但生物检测中的临床样本大多是液相，存在大量水分子。水分子在THz频段的高吸收性会给生物样本检测产生强烈信号干扰。水中氢键对THz波的吸收干扰不仅来源于生物样本本身的溶液状态，而且受限于THz光路穿透空气中水分子的吸收干扰，传统氮气、真空等去除水吸收方法，不仅导致系统复杂，而且不利于控制样本测量过程的温度，导致生物物质测量结果稳定性差，水敏感性作为一种物理干扰现象已成为阻碍THz波在生物医学检测领域发展的最大难点。
因此建立一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的片上集成技术及系统，大大缩短太赫兹生物检测中水作用距离，降低太赫兹传输损耗和水吸收作用，是满足临床生物样本太赫兹检测实际需求的关键因素。
所以，亟需一种太赫兹生物检测方案，解决上述问题。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种太赫兹片上集成芯片及 其控制方法、片上集成系统。具体方案如下：
一种太赫兹片上集成芯片，包括如下，
产生单元，设置有光栅耦合微结构和非线性材料，用于通过所述光栅耦合微结构将闲频光波耦合进所述非线性材料，产生太赫兹波；
传输单元，设置有多层薄膜波导结构，用于将所述太赫兹波和剩余的闲频光波沿着所述多层薄膜波导结构进行传输；
调控单元，设置有太赫兹长周期光栅耦合结构，用于通过所述太赫兹长周期光栅耦合结构将所述太赫兹波耦合到待测生物样本上；
检测单元，设置有光学干涉结构臂，通过所述光学干涉结构臂探测所述太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对所述太赫兹波吸收特性的检测。
在一个具体实施例中，所述非线性材料为GaSe；
所述太赫兹片上集成芯片具有五层微纳结构，底层为Si衬底微纳层、第一层为SiO
2薄层微纳层、第二层为GaSe微纳层、第三层SiO
2薄层微纳层、第四层Si微纳层。
在一个具体实施例中，所述光栅耦合微结构上带有薄膜波导结构；
通过所述光栅耦合微结构将两个闲频光波射入到薄膜波导结构里，使在所述非线性材料内得到尽可能大的光波强度和光束密度；
所述光栅耦合微结构，用于提高闲频光波转换为太赫兹波的能量转换效率。
在一个具体实施例中，闲频光波被所述光栅耦合微结构耦合到两层SiO
2薄层微纳层之间，并以全内反射模式传输；
太赫兹波在整个所述太赫兹片上集成芯片中进行传输。
在一个具体实施例中，所述光学干涉结构臂为马赫-增德尔光学干涉结构臂；
所述太赫兹长周期光栅耦合结构制备于所述马赫-增德尔光学干涉结构 臂上，用于将太赫兹波高效耦合到待测生物样本，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用。
在一个具体实施例中，利用磁控溅射沉积和高真空退火制备所述GaSe微纳层；
和/或，利用磁控溅射沉积所述SiO
2微纳层。
在一个具体实施例中，采用电子束曝光和反应离子刻蚀技术在衬底上制作所述光栅耦合微结构；
和/或，通过紫外光刻和干法刻蚀制作所述太赫兹长周期光栅耦合结构。
在一个具体实施例中，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备所述马赫-增德尔光学干涉结构臂；
和/或，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备所述多层薄膜波导结构。
一种太赫兹片上集成芯片的控制方法，应用于上述任一项所述的太赫兹片上集成芯片，包括如下步骤，
通过所述光栅耦合微结构将闲频光波耦合进所述非线性材料，以非线性光学差频方法产生太赫兹波；
所述太赫兹波和剩余的闲频光波沿着所述多层薄膜波导结构进行传输；
通过所述太赫兹长周期光栅耦合结构将所述太赫兹波耦合到待测生物样本上，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用；
基于非线性材料的电光效应，通过太赫兹瞬时电场对探测光折射率的改变，采用所述光学干涉结构臂探测所述太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起光程差，实现待测生物样本对所述太赫兹波吸收特性的检测。
一种基于太赫兹检测的片上集成系统，包括激光光源、分束镜、第一KTP晶体、第二KTP晶体、第一反射镜、柱面镜、短波通滤波器、透镜、光电探测器、信号处理器以及上述任一项所述的太赫兹片上集成芯片；
所述激光光源，用于输出单一激光，穿过所述分束镜射入所述第一KTP 晶体和所述第二KTP晶体；
所述第一KTP晶体和第二KTP晶体，用于通过调整KTP晶体旋转角使入射的所述单一激光的光源波长发生变动分别产生第一光束和第二光束；
所述分束镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述反射镜；
所述反射镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述柱面镜；
所述柱面镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述太赫兹片上集成芯片；
所述太赫兹片上集成芯片，用于将所述第一光束和所述第二光束作为闲频光波产生太赫兹波，对产生的太赫兹波进行传输和调控，并对待测生物样本进行检测，生成携带有生物样本信息的干涉信号；
所述短波通滤波器，用于对所述干涉信号进行滤波处理；
所述透镜，用于对滤波后的干涉信号进行会聚，得到第一干涉信号；
所述光电探测器，用于对所述第一干涉信号进行光电转换，得到电信号；
所述信号处理器，用于对所述电信号进行数据分析和处理，得到待测生物样本的检测结果。
在一个具体实施例中，所述第一光束和所述第二光束之间的光束波长差满足如下条件：
0.2THz≤(c*Δλ)/λ
2≤3.5THz
其中，Δλ表示所述第一光束和所述第二光束之间的光束波长差，λ表示所述单一激光的光源波长，c表示光波在真空中的传播速率。
在一个具体实施例中，所述激光光源是波长在1064nm附近的YAG激光器，脉宽7ns，重复频率100Hz。
有益效果：本发明提供了一种太赫兹片上集成芯片及其控制方法、片上集成系统。针对生物样本检测应用的太赫兹传感器难以高质量片上集成的问题，设计了一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的芯片结构， 能够保证芯片上太赫兹非线性混频的高质量产生、高效率传输和抗干扰探测。
利用或设计易于微纳生长的非线性材料、光栅结构、多层薄膜波导、光学马赫-增德尔干涉仪，多种技术联用，得到高质量、宽频带、相干可调的太赫兹波，并能实现太赫兹波的有向传输、相干探测等功能。
芯片利用光栅耦合微结构，在满足相位匹配条件和入射角度要求的情况下，采用具有高非线性系数和具备相位匹配条件且易片上微纳生长的GaSe非线性材料作为太赫兹产生介质，利用双波长光学差频技术产生波束质量好、宽频带、可调谐的太赫兹波，大幅提高能量转换效率，增强太赫兹波产生功率。
设计满足模式相位匹配条件的高耦合多层薄膜波导结构，突破闲频光波和太赫兹波难以同时片上传输的技术瓶颈，实现太赫兹波和光波的低损耗传输。
采用太赫兹长周期光栅耦合技术，可将片上传输的太赫兹波有效调控耦合到待测生物样本上，并产生相互作用，解决了现有的太赫兹波与生物样本难以片上耦合的技术问题。
设计了一种独特的马赫-增德尔光学干涉结构，具备太赫兹参考信号和传感信号同步干涉检测的功能，从根本上消除了外在因素的影响，抗干扰能力强，信噪比高，可实现生物物质的太赫兹高灵敏检测。
片上集成系统，将太赫兹产生系统和探测系统集成到一个系统中，为生物物质的高灵度检测提供频谱宽、功率高、波束质量好的片上太赫兹发射源和探测器，具有太赫兹波束质量好、输出功率高、探测抗干扰能力强等诸多优势。
片上集成系统与被测生物样本具有很好的匹配性和兼容性，可真正实现片上“样本进-结果出”。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例的太赫兹片上集成芯片模块组成示意图；
图2是本发明实施例的太赫兹片上集成芯片整体结构示意图；
图3是本发明实施例的非线性光学差频太赫兹产生原理示意图；
图4是本发明实施例的提高转换效率的工作机理示意图；
图5是本发明实施例的控制方法流程示意图；
图6是本发明实施例的片上集成系统整体结构示意图。
附图标记：1-太赫兹片上集成芯片；2-激光光源；3-分束镜；4-第一透镜；5-第一KTP晶体；6-第二KTP晶体；7-第二透镜；8-第一反射镜；9-柱面镜；10-短波通滤波器；11-第二反射镜；12-第三反射镜；13-凸透镜；14-光电探测器；15-信号处理器。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提出了一种太赫兹片上集成芯片，设计了一种同一基底的集 太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的芯片结构，能够获得宽频带、高质量的太赫兹波，并实现有向传输、相干探测等功能。太赫兹片上集成芯片组成模块示意图如说明书附图1所示。具体方案如下:
一种太赫兹片上集成芯片1，包括如下，
产生单元101，设置有光栅耦合微结构和非线性材料，用于通过光栅耦合微结构将闲频光波耦合进非线性材料，产生太赫兹波；
传输单元102，设置有多层薄膜波导结构，用于将太赫兹波和剩余的闲频光波沿着多层薄膜波导结构进行传输；
调控单元103，设置有太赫兹长周期光栅耦合结构，用于通过太赫兹长周期光栅耦合结构将太赫兹波耦合到待测生物样本上；
检测单元104，设置有光学干涉结构臂，通过光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对太赫兹波吸收特性的检测。
为了提高太赫兹传输效率且缩短太赫兹生物检测中水作用距离，本实施例提供了一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的片上集成芯片。针对太赫兹片上集成的诸多难题，利用或设计易于微纳生长的非线性材料、光栅结构、多层薄膜波导、光学马赫-增德尔干涉仪，多种技术联用实现高质量、宽频带、相干可调的太赫兹发生、传输、调控和探测的片上集成芯片。
在本实施例中，太赫兹片上集成芯片1具有五层微纳结构，底层为Si衬底微纳层、第一层为SiO
2薄层微纳层、第二层为GaSe微纳层、第三层SiO
2薄层微纳层、第四层Si微纳层。片上集成芯片各层材料的厚度可在微纳级范畴内调整，长宽在毫米、厘米级范畴内调整，不局限于具体尺寸；基底材料一般选择Si，但不局限于该材料。太赫兹片上集成芯片1的整体结构示意图如说明书附图2所示。
采用离子束曝光、反应离子刻蚀、磁控溅射沉积、紫外光刻和干法刻 蚀等微纳制备技术，实现同一衬底上微纳层的生长、微纳光栅耦合器和微纳波导的高质量制备，完成与特定生物物质被测样本具有很好兼容性的片上集成芯片。具体地，利用磁控溅射沉积和高真空退火制备GaSe微纳层；利用磁控溅射沉积SiO
2微纳层。
具体地，产生单元101采用非线性光学差频太赫兹产生技术，将闲频光波转换为太赫兹波。示例性的，产生单元101利用具有高非线性系数和具备相位匹配条件且易片上微纳生长的GaSe非线性材料作为太赫兹产生介质，利用双波长光学差频技术产生波束质量好、宽频带、可调谐的太赫兹波。需要说明的是，并非所有的闲频光波都被转换为太赫兹波，会存在部分闲频光波未被转换。基于激发太赫兹波的激光光源输出波长的不同，可选用不同与之匹配的非线性材料。
其中，非线性光学差频方法的太赫兹产生原理如说明书附图3所示。相位匹配条件包括：
ω
p1-ω
p2＝ω
THz
k
p1-k
p2＝k
THz
其中，ω
p1表示所述第一光束的角频率，ω
p2表示所述第二光束的角频率，ω
THz表示产生太赫兹波的角频率，k
p1表示所述第一光束的波矢，k
p2表示所述第二光束的波矢，k
THz表示产生太赫兹波的波矢。
当非线性材料中两入射激光光束的波矢差与太赫兹波的波矢相等时，介质中入射光的群速度与太赫兹波的群速度一致，即入射光的有效折射率和太赫兹的有效折射率相等，可有效地实现太赫兹波的产生。产生单元101中设置有光栅耦合微结构，能提高闲频光波到太赫兹波的能量转换效率。且光栅耦合微结构中带有多层薄膜波导结构，能有效实现剩余闲频光和太赫兹波的低损耗传输。
具体地，将两个闲频光束通过光栅耦合微结构“挤压”到薄膜波导里，在非线性材料内将会得到极大的激光光强度和光束密度。已知太赫兹波的 输出功率与激发光束的密度平方成正比，则可以通过该方法大大提高太赫兹波的输出功率。保证波导良好导波特性的前提条件是入射光的衍射角θ
p＝θ
m，在说明书附图4中，θ
p和θ
m分别为入射闲频光的衍射角和闲频光在薄膜波导中的全反射角。本实施例提出的带有薄膜波导的光栅耦合微结构，基于光波高效率耦合机理，解决了闲频光波到太赫兹波的转换效率低的问题，能够实现光波到太赫兹波的高效转换，兼顾了太赫兹波的高效产生和低损耗传输。
本实施例利用非线性光学差频产生太赫兹波的机理，采用具有高非线性系数的GaSe作为光学差频产生太赫兹的材料，解决了相位难以匹配的问题，能够满足太赫兹激发材料片上集成的需求，获得宽频带、高质量的太赫兹波。
传输单元102利用太赫兹波和闲频光波的低传输损耗机理，使用与产生太赫兹波的同一非线性材料设计多层薄膜波导，解决了模式相位匹配和低损耗传输的难题，实现低损耗的双波传输功能。通过光栅耦合微结构将闲频光波耦合进芯片里经非线性材料GaSe的光学差频方法产生太赫兹波后，剩余的闲频光波和产生的太赫兹波在芯片中沿着多层薄膜波导结构低损耗地进行传输。双波传输具体包括：闲频光波被光栅耦合微结构耦合到两层SiO
2薄层微纳层之间，并以全内反射模式传输；太赫兹波在整个太赫兹芯片中进行传输。
调控单元103利用太赫兹长周期光栅耦合结构，将片上传输的太赫兹波有效耦合到待测生物样本上，实现太赫兹波与被测生物样本的相互作用，解决了太赫兹波与生物样本难以片上耦合的问题。
检测单元104通过光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对太赫兹波吸收特性的检测。在本实施例中，光学干涉结构臂为马赫-增德尔光学干涉结构臂。其中，太赫兹长周期光栅耦合结构制备于马赫-增德尔光学干涉结构臂上，用于将太 赫兹波高效耦合到待测生物样本，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用。优选地，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备马赫-增德尔光学干涉结构臂。
马赫-增德尔光学干涉结构臂包括参考臂和传感臂。由于非线性材料的电光效应对太赫兹参考信号和传感信号的不同响应，造成参考臂和传感臂光波信号的光程差异，进而在干涉结构上实现太赫兹波参考信号和传感信号的同步干涉探测。基于非线性材料的电光效应，通过太赫兹瞬时电场对探测光折射率的改变，采用马赫-增德尔光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测样本相互作用引起双臂光波的光程差，实现样本对太赫兹波吸收特性的有效检测。其工作原理如下：基于电光效应，太赫兹瞬态电场改变非线性材料GaSe的折射率，并且其改变大小正比于太赫兹电场强度；所以一旦太赫兹波与待测生物样本相互作用，其对非线性材料中光波的光程差产生影响，光学干涉后将有干涉条纹出现；经过检测干涉信号可推导出待测生物样本的太赫兹特性，实现待测生物样本的太赫兹检测。
本实施例利用太赫兹同步相干探测机理，采用GaSe作为太赫兹探测元件和设计波导式马赫-增德尔光学干涉结构臂，提出了一种基于片上的马赫-增德尔光学干涉结构太赫兹同步相干探测技术。该技术基于太赫兹长周期光栅耦合作用和电光效应，能够实现太赫兹波高效率调控和有效抗干扰探测，从根本上消除了外在因素的影响，抗干扰能力强，信噪比高，特别适用于微量生物物质高灵敏检测。
本实施例采用诸多微纳制备工艺制备五层微纳太赫兹片上集成芯片1，如离子束曝光、反应离子刻蚀、磁控溅射沉积、紫外光刻和干法刻蚀等微纳制备技术，实现同一衬底上微纳层的生长、微纳光栅耦合器和微纳波导的高质量制备，完成生物物质的太赫兹检测，具有很好的兼容性。优选地，采用电子束曝光和反应离子刻蚀技术在衬底上制作光栅耦合微结构。和/或，通过紫外光刻和干法刻蚀制作太赫兹长周期光栅耦合结构。和/或，通过电 子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备多层薄膜波导结构。
本实施例提供了一种太赫兹片上集成芯片，针对生物样本检测应用的太赫兹传感器难以高质量片上集成的问题，设计了一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的芯片结构，能够保证芯片上太赫兹非线性混频的高质量产生、高效率传输和抗干扰探测。利用或设计易于微纳生长的非线性材料、光栅结构、多层薄膜波导、光学马赫-增德尔干涉仪，多种技术联用，得到高质量、宽频带、相干可调的太赫兹波，并能实现太赫兹波的有向传输、相干探测等功能。芯片利用光波光栅微结构耦合技术，在满足相位匹配条件和入射角度要求的情况下，采用具有高非线性系数和具备相位匹配条件且易片上微纳生长的GaSe非线性材料作为太赫兹产生介质，利用双波长光学差频技术产生波束质量好、宽频带、可调谐的太赫兹波，大幅度提高能量转换效率，增强太赫兹波产生功率。设计满足模式相位匹配条件的高耦合多层薄膜波导结构，突破闲频光波和太赫兹波难以同时片上传输的技术瓶颈，实现太赫兹波和光波的低损耗传输。采用太赫兹长周期光栅耦合技术，可将片上传输的太赫兹波有效调控耦合到待测生物样本上，并产生相互作用，解决了现有的太赫兹波与生物样本难以片上耦合的技术问题。设计了一种独特的马赫-增德尔光学干涉结构，具备太赫兹参考信号和传感信号同步干涉检测的功能，抗干扰能力强，信噪比高，可实现生物物质的太赫兹高灵敏检测。
实施例2
本实施例提出了一种太赫兹片上集成芯片的控制方法，应用于实施例1的一种太赫兹片上集成芯片，控制方法流程示意图如说明书附图5所示。具体方案如下:
一种太赫兹片上集成芯片的控制方法，包括如下步骤，
S1、通过光栅耦合微结构将闲频光波耦合进非线性材料，以非线性光 学差频方法产生太赫兹波；
S2、太赫兹波和剩余的闲频光波沿着多层薄膜波导结构进行传输；
S3、通过太赫兹长周期光栅耦合结构将太赫兹波耦合到待测生物样本上，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用；
S4、基于非线性材料的电光效应，通过太赫兹瞬时电场对探测光折射率的改变，采用光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对太赫兹波吸收特性的检测。
在产生单元中，当非线性材料中两入射激光光束的波矢差与太赫兹波的波矢相等时，介质中入射光的群速度与太赫兹波的群速度一致，即入射光的有效折射率和太赫兹的有效折射率相等，可有效地实现太赫兹波的产生。而且双波长差值可调谐范围决定了产生太赫兹波的频率范围，不局限于0.2-3.5THz。产生单元中设置有光栅耦合微结构，能提高闲频光波到太赫兹波的能量转换效率。且光栅耦合微结构中带有多层薄膜波导，实现剩余闲频光和太赫兹波的低损耗传输。
传输单元利用太赫兹波和闲频光波的低传输损耗机理，使用与产生太赫兹波的同一非线性材料设计多层薄膜波导，解决了模式相位匹配和低损耗传输的难题，实现低损耗的双波传输功能。通过光栅耦合微结构将闲频光波耦合进芯片里经非线性材料GaSe的光学差频方法产生太赫兹波后，剩余的闲频光波和产生的太赫兹波在芯片中沿着多层薄膜波导低损耗地进行传输。双波传输具体包括：闲频光波被光栅耦合微结构耦合到两层SiO
2薄层微纳层之间，并以全内反射模式传输；太赫兹波在整个太赫兹芯片中进行传输。
调控单元利用太赫兹长周期光栅耦合结构，将将片上传输的太赫兹波有效耦合到待测生物样本上，实现太赫兹波与被测生物样本的相互作用，解决了太赫兹波与生物样本难以片上耦合的问题。
检测单元通过光学干涉结构臂探测太赫兹波是否与待测生物样本相互 作用引起的光程差，实现待测生物样本对太赫兹波吸收特性的检测。在本实施例中，光学干涉结构臂为马赫-增德尔光学干涉结构臂。其中，太赫兹长周期光栅耦合结构制备于马赫-增德尔光学干涉结构臂上，用于将太赫兹波高效耦合到待测生物样本，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用。优选地，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备马赫-增德尔光学干涉结构臂。
本实施例提供了一种太赫兹片上集成芯片的控制方法，将实施例1的太赫兹片上集成芯片方法化，使其更具实用性。
实施例3
本实施例提供了一种基于太赫兹检测的片上集成系统，将实施例1的太赫兹片上集成芯片应用到具体的集成系统中，提高了太赫兹传输效率，缩短了太赫兹生物检测中的水作用距离。片上集成系统的整体结构示意图如说明书附图6所示，具体方案如下：
一种基于太赫兹检测的片上集成系统，集太赫兹波产生、传输、调控、探测于一体，包括激光光源2、分束镜3、第一透镜4、第一KTP晶体5、第二KTP晶体6、第二透镜7、第一反射镜8、柱面镜9、短波通滤波器10、第二反射镜11、第三反射镜12、凸透镜13、光电探测器14、信号处理器15以及实施例1的太赫兹片上集成芯片1。各部分易拆卸，且使用便捷，与被测生物样本具有很好的匹配性和兼容性，可真正实现片上“样本进-结果出”。本实施例的片上集成系统能够为生物物质的高灵度检测提供频谱宽、功率高、波束质量好的片上太赫兹发射源和探测器。
激光光源2，用于输出单一激光，穿过分束镜3射入第一KTP晶体5和第二KTP晶体6。具体地，激光光源2是波长在1064nm附近的YAG激光器，脉宽7ns，重复频率100Hz。
第一KTP晶体5和第二KTP晶体6，用于通过调整KTP晶体旋转角使入射的单一激光的光源波长发生变动分别产生第一光束和第二光束。通过 调节光路中两块KTP晶体旋转角，分别为θ
1和θ
2，使入射的单一激光光源2波长发生较小变动分别产生第一光束λ
1和第二光束λ
2。第一光束和第二光束之间的光束波长差满足如下条件：
0.2THz≤(c*Δλ)/λ
2≤3.5THz
其中，Δλ表示第一光束和第二光束之间的光束波长差，λ表示所述单一激光的光源波长，c表示光波在真空中的传播速率。
KTP晶体旋转角θ
1和θ
2通过电动角度调节台来控制，具体数值需要根据KTP晶体参数计算得到。要获得连续太赫兹波，需要连续产生不同波长差的激光双光束，因此，需要连续变化KTP晶体旋转角θ
1和θ
2。
其中，单一激光穿过分束镜3，依次穿过第一透镜4、第一KTP晶体5、第二KTP晶体6和第二透镜7，得到第一光束和第二光束。经过分束镜3的分束处理，第一光束和第二光束射入第一反射镜8。第一反射镜8，将第一光束和第二光束射入至柱面镜9。柱面镜9，具有光斑放大功能，能将第一光束和第二光束光斑放大后射入至太赫兹片上集成芯片1。
在太赫兹片上集成芯片1中，第一光束和第二光束作为闲频光波产生太赫兹波，在芯片中传输并调控太赫兹波，并对待测生物样本进行检测，生成携带有生物样本信息的干涉信号。
携带生物样本信息的干涉信号从太赫兹片上集成芯片1进入短波通滤波器10，短波通滤波器10对干涉信号进行滤波处理。滤波后的干涉信号经过第二反射镜11和第三反射镜12的反射，会变得发散，需要进入凸透镜13进行会聚。凸透镜13，用于对滤波后的干涉信号进行会聚，得到第一干涉信号。第一干涉信号经过凸透镜13的会聚后，进入光电探测器14。
光电探测器14，用于对第一干涉信号进行光电转换，将第一干涉信号的光信号转换为电信号，并将得到的电信号输入信号处理器15。信号处理器15，用于对电信号进行数据分析和处理，得到待测生物样本的检测结果。
现有的太赫兹系统无法满足生物物质高灵敏检测的需求，而且缺乏便 捷实用的片上系统，与生物样本的兼容性较差。与常用的太赫兹时域光谱系统相比，本实施例的片上集成系统，基于实施例1的五层微纳太赫兹片上集成芯片，联合使用双波长激光光束模块和其他组件组装系统，实现高质量、宽频带、相干可调的太赫兹波产生、传输、调控和探测，不仅大大缩短了太赫兹传输光程，而且提高了太赫兹的波谱质量和检测效率，大大缩短了太赫兹生物检测中的水作用距离，降低了太赫兹波的传输损耗和水吸收作用，完全满足临床生物样本太赫兹检测实际需求。
本实施例提供的片上集成系统，将太赫兹产生系统和探测系统集成到一个系统中，为生物物质的高灵度检测提供频谱宽、功率高、波束质量好的片上太赫兹发射源和探测器。具有太赫兹波束质量好、输出功率高、探测抗干扰能力强等诸多优势。片上集成系统与被测生物样本具有很好的匹配性和兼容性，可真正实现片上“样本进-结果出”。
本发明提供了一种太赫兹片上集成芯片及其控制方法、片上集成系统。针对生物样本检测应用的太赫兹传感器难以高质量片上集成的问题，设计了一种集太赫兹产生、传输、调控、探测于一体的芯片结构，能够保证芯片上太赫兹非线性混频的高质量产生、高效率传输和抗干扰探测。利用或设计易于微纳生长的非线性材料、光栅结构、多层薄膜波导、光学马赫-增德尔干涉仪，多种技术联用，得到高质量、宽频带、相干可调的太赫兹波，并能实现太赫兹波的有向传输、相干探测等功能。芯片利用光栅耦合微结构，在满足相位匹配条件和入射角度要求的情况下，采用具有高非线性系数和具备相位匹配条件且易片上微纳生长的GaSe非线性材料作为太赫兹产生介质，利用双波长光学差频技术产生波束质量好、宽频带、可调谐的太赫兹波，大幅提高能量转换效率，增强太赫兹波产生功率。设计满足模式相位匹配条件的高耦合多层薄膜波导结构，突破闲频光波和太赫兹波难以同时片上传输的技术瓶颈，实现太赫兹波和光波的低损耗传输。采用太赫兹长周期光栅耦合技术，可将片上传输的太赫兹波有效调控耦合到待测 生物样本上，并产生相互作用，解决了现有的太赫兹波与生物样本难以片上耦合的技术问题。设计了一种独特的马赫-增德尔光学干涉结构，具备太赫兹参考信号和传感信号同步干涉检测的功能，从根本上消除了外在因素的影响，抗干扰能力强，信噪比高，可实现生物物质的太赫兹高灵敏检测。片上集成系统，将太赫兹产生系统和探测系统集成到一个系统中，为生物物质的高灵度检测提供频谱宽、功率高、波束质量好的片上太赫兹发射源和探测器，具有太赫兹波束质量好、输出功率高、探测抗干扰能力强等诸多优势。片上集成系统与被测生物样本具有很好的匹配性和兼容性，可真正实现片上“样本进-结果出”。
本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (12)
- 一种太赫兹片上集成芯片，其特征在于，包括如下，产生单元，设置有光栅耦合微结构和非线性材料，用于通过所述光栅耦合微结构将闲频光波耦合进所述非线性材料，产生太赫兹波；传输单元，设置有多层薄膜波导结构，用于将所述太赫兹波和剩余的闲频光波沿着所述多层薄膜波导结构进行传输；调控单元，设置有太赫兹长周期光栅耦合结构，用于通过所述太赫兹长周期光栅耦合结构将所述太赫兹波耦合到待测生物样本上；检测单元，设置有光学干涉结构臂，用于通过所述光学干涉结构臂探测所述太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现所述待测生物样本对所述太赫兹波吸收特性的检测。
- 根据权利要求1所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，所述非线性材料为GaSe；所述太赫兹片上集成芯片具有五层微纳结构，底层为Si衬底微纳层、第一层为SiO 2薄层微纳层、第二层为GaSe微纳层、第三层SiO 2薄层微纳层、第四层Si微纳层。
- 根据权利要求1所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，所述光栅耦合微结构上带有薄膜波导结构；通过所述光栅耦合微结构将两个闲频光波射入到薄膜波导结构里，使在所述非线性材料内得到尽可能大的光波强度和光束密度；所述光栅耦合微结构，用于提高闲频光波转换为太赫兹波的能量转换效率。
- 根据权利要求2所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，闲频光波被所述光栅耦合微结构耦合到两层SiO 2薄层微纳层之间，并以全内反射模式传输；太赫兹波在整个所述太赫兹片上集成芯片中进行传输。
- 根据权利要求2所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，所述光学干涉结构臂为马赫-增德尔光学干涉结构臂；所述太赫兹长周期光栅耦合结构制备于所述马赫-增德尔光学干涉结构臂上，用于将太赫兹波高效耦合到待测生物样本，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用。
- 根据权利要求5所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，利用磁控溅射沉积和高真空退火制备所述GaSe微纳层；和/或，利用磁控溅射沉积所述SiO 2微纳层。
- 根据权利要求6所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，采用电子束曝光和反应离子刻蚀技术在衬底上制作所述光栅耦合微结构；和/或，通过紫外光刻和干法刻蚀制作所述太赫兹长周期光栅耦合结构。
- 根据权利要求7所述的太赫兹片上集成芯片，其特征在于，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备所述马赫-增德尔光学干涉结构臂；和/或，通过电子束曝光和反应离子刻蚀工艺制备所述多层薄膜波导结构。
- 一种太赫兹片上集成芯片的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的太赫兹片上集成芯片，包括如下步骤，通过所述光栅耦合微结构将闲频光波耦合进所述非线性材料，以非线性光学差频方法产生太赫兹波；所述太赫兹波和剩余的闲频光波沿着所述多层薄膜波导结构进行传输；通过所述太赫兹长周期光栅耦合结构将所述太赫兹波耦合到待测生物样本上，实现太赫兹波与待测生物样本的相互作用；基于非线性材料的电光效应，通过太赫兹瞬时电场对探测光折射率的改变，采用所述光学干涉结构臂探测所述太赫兹波是否与待测生物样本相互作用引起的光程差，实现待测生物样本对所述太赫兹波吸收特性的检测。
- 一种基于太赫兹检测的片上集成系统，其特征在于，包括激光光源、分束镜、第一KTP晶体、第二KTP晶体、第一反射镜、柱面镜、短波通滤波器、透镜、光电探测器、信号处理器以及权利要求1-8任一项所述的太赫兹片上集成芯片；所述激光光源，用于输出单一激光，穿过所述分束镜射入所述第一KTP晶体和所述第二KTP晶体；所述第一KTP晶体和第二KTP晶体，用于通过调整KTP晶体旋转角使入射的所述单一激光的光源波长发生变动分别产生第一光束和第二光束；所述分束镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述反射镜；所述反射镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述柱面镜；所述柱面镜，用于将所述第一光束和所述第二光束射入至所述太赫兹片上集成芯片；所述太赫兹片上集成芯片，用于将所述第一光束和所述第二光束作为闲频光波产生太赫兹波，对产生的太赫兹波进行传输和调控，并对待测生物样本进行检测，生成携带有生物样本信息的干涉信号；所述短波通滤波器，用于对所述干涉信号进行滤波处理；所述透镜，用于对滤波后的干涉信号进行会聚，得到第一干涉信号；所述光电探测器，用于对所述第一干涉信号进行光电转换，得到电信号；所述信号处理器，用于对所述电信号进行数据分析和处理，得到待测生物样本的检测结果。
- 根据权利要求10所述的片上集成系统，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束之间的光束波长差满足如下条件：0.2THz≤(c*Δλ)/λ 2≤3.5THz其中，Δλ表示所述第一光束和所述第二光束之间的光束波长差，λ表示所述单一激光的光源波长，c表示光波在真空中的传播速率。
- 根据权利要求10所述的片上集成系统，其特征在于，所述激光光源是波长在1064nm附近的YAG激光器，脉宽7ns，重复频率100Hz。
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