太赫兹信号耦合装置制造方法
【专利摘要】本发明提出的一种太赫兹信号耦合装置，包括以矩形波导为端口的喇叭天线和平面镜构成的准光腔，以及置于准光腔谐振驻波波腹处，获得最大而均匀耦合强度集成有太赫兹阵元的芯片。所述芯片以晶体材料为基底制备，作为介质谐振器，通过电磁场仿真确定其谐振模式和谐振频率；集成化太赫兹阵元的阵列制备于芯片的中心线上谐振驻波的波腹处，以获得最大的耦合强度；利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合。本发明解决了工程应用中芯片上集成化阵元与常规微波传输线的高效耦合的难题。
【专利说明】太赫兹信号耦合装置
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种结合准光学原理，实现超宽频可调谐的太赫兹传输器件，特别适用于太赫兹频段集成化阵元与波导等常规微波传输线耦合的装置。
【背景技术】
[0002]太赫兹频段是一个非常有科学研究价值的电磁波频段，它介于毫米波频段与红外线频段之间，属于远红外波段。太赫兹的应用除了太赫兹辐射源，太赫兹传输器件，太赫兹探测器等关键器件之外，还必须解决不同器件之间的耦合问题。由于物质在太赫兹频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波具有波长短、方向性好、光子能量低、高穿透性等独特性质，因此太赫兹技术逐渐成为国际研究的热点。它在物理、化学、天文学、生命科学和医学等基础研究领域，以及安全检查、无损检测、生物成像、环境监测、食品检验、环境监测、医疗诊断、雷达侦察、卫星通信和天文观测等领域等应用研究领域均有着巨大的科学研究价值。现阶段，太赫兹辐射源还普遍存在功率小、效率低等问题；而且，热背景噪声相对较高，需要高灵敏度的手段探测太赫兹信号，于是就对太赫兹波的高效传输与耦合提出了更高的要求。对于太赫兹信号的发射与接收，可以通过组建阵列的方式来大幅提高发射功率或接收灵敏度。同时，鉴于太赫兹频段波长较短，一般在亚毫米量级，能够实现大规模阵列的阵元的高密度集成，将成百上千个阵元集成于一个芯片上。但是，如何实现集成化的阵元与常规微波传输线的有效耦合，便成为了一个亟待突破的难题。
[0003]目前，在太赫兹频段广泛采用的耦合方法可大致分为两类，一类是将常规的微波耦合方法推广至太赫兹频段；另一类是借鉴准光学的能量耦合方法应用于太赫兹频段。对于第一类方法，要实现芯片上阵元与波导等传输线的有效耦合，往往采用波导微带过渡、共面天线等方法。但是随着频率的升高，常规基片的损耗与金属的表面损耗迅速增大；同时，由于高频段波长较短，对微带与金属腔体的机械加工精度也很难实现。因此，第一类方法往往局限于亚太赫兹频段，即0.11--11取频段。对于第二类方法，往往采用抛面镜、透镜等准光学方法来合理设计光路，实现能量的有效耦合。此方法能够覆盖整个太赫兹频段，但是通常用于II取?101取频段。而且，如何实现芯片上大规模阵列的多个阵元的有效耦合，尤其是保证相位的同步性；以及如何与常规的微波传输线完美兼容，还没有得到合理解决。因此，在太赫兹频段，实现芯片上集成化阵元与常规微波传输线的高效耦合还是工程应用中面临的一个难题。
【发明内容】
[0004]本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单，易于加工实现、易于操作调谐、工作频率超宽、耦合强度高、相位同步性好，能够将集成于芯片上的大规模阵列的阵元与波导实现有效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率，特别是能够适用于整个0.11--101取太赫兹频段，并且耦合频率与耦合强度可调的太赫兹信号耦合 |101|装直。
[0005]本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种太赫兹信号耦合装置，包括以矩形波导为端口的喇叭天线和平面镜构成的准光腔，以及置于准光腔谐振驻波波腹处，获得最大而均匀耦合强度集成有太赫兹阵元的芯片，其特征在于:芯片以晶体材料为基底制备，作为介质谐振器，通过电磁场仿真确定其谐振模式和谐振频率；集成化太赫兹阵元的阵列制备于芯片的中心线上谐振驻波的波腹处，以获得最大的耦合强度；利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合。
[0006]本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
结构简单，易于加工，易于操作。本发明以矩形波导为端口的喇叭天线与一个平面镜构成的准光腔，将集成有太赫兹阵元的芯片置于其谐振驻波的波腹处，充分利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合，所用器件少，结构简单，构成的准光学系统简洁，制造工艺要求低，易于加工，易于操作解决了现有技术制造工艺要求高，实际应用较困难，难于加工等问题。
[0007]易于操作调谐，工作频率宽。本发明将集成化阵元置于芯片的中线位置处，使其同时处于芯片上多个谐振模式的波腹中。通过调节芯片、平面镜与喇叭天线三者的相对位置，使得芯片不同的谐振模式分别与准光腔相应的谐振模式匹配，实现工作频率可调。而且，太赫兹芯片采用高频损耗低、介电常数低、厚度薄的晶体材料作为基片，这样即使在太赫兹频段，芯片也能够有多个简单的谐振模式，易于与准光腔谐振模式匹配，且覆盖频率范围宽。解决了工程应用中芯片上集成化阵元与常规微波传输线的耦合频点单一，难以调谐的问题。
[0008]耦合强度高，强度可调谐。本发明能够将集成于芯片上的大规模阵列的阵元与波导实现高效耦合，提高太赫兹信号的发射与接收的效率。当芯片的谐振模式与准光腔的谐振模式完美匹配时，便实现了芯片上集成的太赫兹阵元与波导端口的有效耦合。实验结果表明，其耦合效率相对于现有技术所用的方法提高了几十倍。同时，可通过调节芯片、平面镜和喇叭天线三者的相对位置，来方便地调谐耦合强度，这是现有技术很难实现的。
[0009]相位同步性好。本发明结合准光学的方法，充分利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合，并将集成于芯片上的大规模阵列的阵元处于同一个芯片谐振模式的波腹中，实现与波导传输线耦合的相位是同步，解决了常规的准光学系统由于光路设计复杂，不易操作，难以与大规模阵列中多个阵元同步耦合，不便与常规微波传输线兼容等问题。
[0010]本发明特别适用于0.1THz?1THz整个太赫兹频段，并且耦合频率与耦合强度可调的太赫兹信号耦合装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明所述太赫兹信号耦合装置的分解示意图。
[0012]图中:I矩形波导、2喇叭天线，3芯片、4平面镜。
【具体实施方式】
[0013]下面结合基于零压偏置的肖特基二极管串联阵列的太赫兹信号检测系统，对本发明进行进一步说明。
[0014]参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，太赫兹信号耦合装置包括一个以矩形波导1为端口的喇叭天线2与一个平面镜4构成的准光腔，以及制备有太赫兹阵元的芯片3。芯片自身就作为一个介质谐振器使用。芯片3是采用半导体微加工工艺在高阻硅基片上制备肖特基二极管串联阵列和用于零压偏置的电极。通过电磁场仿真确定作为介质谐振器的芯片的谐振模式和谐振频率。并将阵列置于芯片的谐振驻波的中心波腹处，即芯片的中心线，使得能够有多种谐振模式可选，以便实现工作频率可调谐，即工作在谐振频率点。太赫兹芯片的集成化阵元是具备太赫兹信号产生与检测性能的器件；阵列结构可为串联、并联，以及其它任意结构。太赫兹芯片采用高频损耗低、介电常数低、厚度薄的晶体材料作为基片，这样即使在太赫兹频段，芯片也能够有多个简单的谐振模式，易于与准光腔谐振模式匹配，且覆盖频率范围宽。
[0015]利用一个喇叭天线2与一个平面镜4构成准光腔，通过电磁场仿真得到以上选定的工作频率的谐振模式，以确定喇叭天线与平面镜之间的距离和谐振驻波的波腹位置。喇叭天线的波导端口与平面镜之间的距离应为为工作频率的半波长的整数倍。同时，将集成有太赫兹阵元的芯片3置于准光腔谐振驻波的波腹处，波腹处距离平面镜为工作频率的⑶/2+1/4)波长处⑶=0，1，2，…)，以获得最大而均匀的耦合强度。
[0016]当喇叭天线2、平面镜4和芯片3三者的相对位置按照以上描述确定后，芯片谐振模式将与准光腔谐振模式的完美匹配。通过喇叭天线2的矩形波导端口 1馈入待测太赫兹信号，必将激起喇叭天线2与平面镜4构成的准光腔的谐振驻波。由于芯片3的谐振模式与准光腔的谐振模式也是匹配的，同样也会激起作为介质谐振腔的芯片3的谐振。由太赫兹信号检测阵元肖特基二极管组成的串联阵列处于芯片3谐振驻波的中心波幅处，能够能量均匀而相位同步地接收到待测的太赫兹信号，这样就实现了波导端口 1与芯片3上串联阵列的阵元的高效耦合。同时，从芯片3上的电极就可以读出零压偏置的肖特基二极管串联阵列的各阵元的感应出的相位同步的电压信号，使得其检测灵敏度相比单个肖特基二极管得到显著提高。
【权利要求】
1.一种太赫兹信号耦合装置，包括以矩形波导为端口的喇叭天线和平面镜构成的准光腔，以及置于准光腔谐振驻波波腹处，获得最大而均匀耦合强度集成有太赫兹阵元的芯片，其特征在于:芯片以晶体材料为基底制备，作为介质谐振器，通过电磁场仿真确定其谐振模式和谐振频率；集成化太赫兹阵元的阵列制备于芯片的中心线上谐振驻波的波腹处，以获得最大的耦合强度；利用作为介质谐振器的芯片的谐振模式与喇叭天线和平面镜构成的准光腔的谐振模式的匹配，来实现芯片上太赫兹阵元与波导传输线的有效耦合。
2.如权利要求1所述的太赫兹信号耦合系统，其特征在于:通过电磁场仿真确定作为介质谐振器的芯片的谐振模式和谐振频率，并将太赫兹阵元置于芯片的谐振驻波的中心波腹处，即芯片的中心线，使得能够有多种谐振模式可选，以便实现工作频率可调谐，即工作在谐振频率点。
3.如权利要求2所述的太赫兹信号耦合装置，其特征在于:通过喇叭天线(2)的矩形波导端口( I)馈入待测太赫兹信号，激起喇叭天线(2)与平面镜(4)构成的准光腔的谐振和作为介质谐振器的芯片(3)的谐振。
4.如权利要求1所述的太赫兹信号耦合装置，其特征在于:以矩形波导为端口轴向连接喇叭天线，平面镜(4)与所述芯片(3)平行，正对喇叭天线的喇叭口端，芯片(3)位于平面镜与喇叭天线构成的准光腔之间。
5.如权利要求2所述的太赫兹信号耦合装置，其特征在于:太赫兹阵列的阵元处于芯片(3)谐振驻波的中心波腹处，实现波导端口(I)与芯片(3)上阵列中阵元的高效耦合。
6.如权利要求1所述的太赫兹信号耦合装置，其特征在于:所述的太赫兹芯片的集成化阵元是具备太赫兹信号产生或检测性能的器件；阵列结构可为串联、并联，以及其它任意结构。
【文档编号】H01P5/18GK104466337SQ201410651908
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】宋凤斌, 程焱, 朱勇 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所