一种太赫兹光电导天线阵列的制作方法

本发明属于光电导天线
技术领域：
，具体涉及一种太赫兹光电导天线阵列。
背景技术：
：太赫兹(thz)电磁波是电磁波谱中处于微波与红外之间的一段电磁辐射，由于其独特的性质，在生物医学成像、毒品和爆炸物检测、安全检查、通讯等领域有着广泛的应用前景。在过去的30年中，太赫兹科学与技术发展迅猛，但是缺少高功率的thz源始终是制约thz技术发展的瓶颈。自从auston首次发现利用飞秒激光触发偏置的光电导天线能够产生thz波以来，光电导天线作为一种高效、稳定的thz源，被广泛应用于实验室和商业化的thz时域光谱系统中。虽然光电导天线比非线性光学晶体具有更高的转换效率，但是其发射功率通常只有微瓦量级。提高光电导天线辐射功率的一个有效途径是使用光电导天线阵列。如果从n个天线阵元辐射出的thz波在光学系统的焦点位置处能够实现相干合成，合成后的thz波的强度为单个天线阵元辐射thz波强度的n倍。然而，由于以下两个重要的技术难点导致由n个天线阵元构成的光电导天线阵列至今仍未实现相干合成。一个是各天线阵元发出的thz波的相位是不可控的；另一个是天线阵元中反相电场降低了正向偏置电场。传统的光电导天线阵列的相邻两阵元的偏置电场是反相的，因此辐射出的thz波的相位也是相反的，最终导致光电导天线阵列辐射的thz波相互抵消。在过去的二十年中，研究者做了很多努力去解决上述问题，但是都没有取得明显的效果。一种广泛使用的方法是采用金属层交替覆盖天线阵元，从而消除相邻天线阵元间的反向电场，使具有相同偏置电场的天线阵元辐射出的thz波相干叠加。但是这种方法实际上是不可行的，因为天线阵列是制备在一个gaas材料上的，虽然利用金属层消除了反相thz波的发射，但是反相电场依然存在，并且会扩展到金属覆盖层以外的有源区，大大削弱thz辐射的产生，导致总的thz辐射强度远远小于单个天线阵元辐射thz波强度的n倍。m.awad制备了由11个分离的天线阵元构成的天线阵列，但是总的thz波的强度仅仅是单个阵元辐射thz波强度的1.3倍。其他的方法，例如使用微透镜、相位光栅等虽然能够提高触发光的利用效率，但是不能消除反相电场的影响，导致增益仍然远远小于n。综上所述，目前使用的thz光电导天线阵列由于不能消除反相电场的影响，导致辐射thz波的增益不高，严重制约了thz技术的发展。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种太赫兹光电导天线阵列，解决了现有光电导天线阵列合成度低的问题。本发明所采用的技术方案是：一种太赫兹光电导天线阵列，包括n×n个光电导天线阵元构成的天线矩阵，每个天线阵元由一个独立的供电装置供电，天线阵元通过泵浦光同时触发，所有天线阵元发出的太赫兹波被聚焦光学元件汇聚于同一点。本发明的特点还在于，n×n个光电导天线阵元相互机械分离的粘接在支撑衬底上。n×n个光电导天线阵元位于同一片砷化镓晶圆上，相邻两个光电导天线阵元的间距不小于10倍的同一光电导天线阵元的电极间距。天线矩阵中同一个光电导天线阵元的电极间距为2μm-2mm。支撑衬底采用高阻硅、石英、聚乙烯或聚四氟乙烯中的一种。天线矩阵由2×2个光电导天线阵元构成，相邻两个光电导天线阵元间距为300μm，同一光电导天线阵元的电极间距为30μm。本发明的有益效果是：本发明的一种太赫兹光电导天线阵列，消除了thz光电导天线阵列中反相偏置电场的影响，使各天线阵元辐射出的thz波达到了接近100％的合成度，大大增强了光电导天线阵列辐射thz波的强度和功率；各个天线阵元辐射出的thz波的相位完全一致，合成后的波形形状和单个天线阵元辐射出的波形完全相同，对频谱特性没有任何影响。附图说明图1是本发明一种太赫兹光电导天线阵列中天线阵元相互机械分离时的结构示意图；图2是本发明一种太赫兹光电导天线阵列中天线阵元位于同一晶圆上的结构示意图；图3是本发明一种太赫兹光电导天线阵列中光电导天线安装支架及供电装置示意图；图4是图1中各个阵元单独工作时辐射出的thz波形图；图5是图4中各个thz波的求和波形与各阵元同时工作时相干合成的波形对比图；图6是图2中各个阵元单独工作时辐射出的thz波形图；图7是图6中各个thz波的求和波形与各阵元同时工作时相干合成的波形对比图；图8是图2中光电导天线阵列的电极结构图；图9是合成度随相邻两阵元间距l的变化关系图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明提供了一种太赫兹光电导天线阵列，包括n×n个光电导天线阵元构成的天线矩阵，天线矩阵中同一个光电导天线阵元的电极间距为2μm-2mm，每个天线阵元由一个独立的供电装置供电，天线阵元通过泵浦光同时触发，所有天线阵元发出的太赫兹波被聚焦光学元件汇聚于同一点。如图1所示，上述天线矩阵为具有4个分离的天线阵元的构成的2×2的光电导天线阵列，4个阵元被粘接在对thz波具有较好透过率的高阻硅支撑衬底上。整个装置被安装在一个具有8个管脚的半导体封装管壳内。用金丝球焊机将光电导天线的电极焊盘和半导体封装管壳的焊盘连接。用于安装分离的天线阵元的支撑衬底除选用高阻硅外，还可以选用石英、聚乙烯、聚四氟乙烯等对thz波具有较高透过率的材料。如图2所示，上述天线矩阵还可以为在一片gaas晶圆上制备的4个光电导天线阵元构成的2×2的光电导天线阵列，阵元间距(l)为电极间隙(w)的10倍以上。直接将整个装置安装在具有8个管脚的半导体封装管壳内，采用金丝球焊机将光电导天线的电极焊盘和半导体封装管壳的焊盘连接。如图3所示，光电导天线安装支架及供电装置制作在一块印刷电路板上，将安装有光电导天线的管壳的8个引脚插入图中插槽的8个对应的针孔中，每一组针孔与一个供电装置相连为一个天线阵元供电。该图是采用储能电容供电的电路。本装置包括四路并联的供电电路，每一路由一个限流电阻和一个储能电容串联而成，通过bnc端口用同轴屏蔽线与直流电源或脉冲电源接通。电阻的阻值为1kω-10mω，电容器的电容值大于1pf。在光电导天线阵列下方的电路板上开一个方形孔，使产生的thz波通过。也可以将四个天线分别连接到四个独立的电源的两端，并且四个天线阵元的偏置电场的方向相同；或者连接到一个功率足够大的电源的两端。上述图1和图2中的天线阵列可以扩充成n×n的阵列，对应的天线安装支架及供电装置的数目也应增加到n2路。结果分析当采用图1所示的结构时，选用电极间距为150μm的4个分离的光电导天线阵元，粘接在高阻硅片上，形成2×2的光电导天线阵列。采用图3中的供电方式，限流电阻r1-r4均为100mω，储能电容c1-c4均为10pf，偏置电压为60v。图4是分别单独开启各个天线阵元，利用thz时域光谱系统测得的4个天线阵元分别辐射出的thz波的时域波形，由于触发光能分布的不均匀以及天线本身的差异导致4个阵元辐射出的波形的幅值略有差异。图5中的实线是同时开启4个天线阵元获得的相干合成的thz波的时域波形；图中虚线是将图4中4个阵元辐射出的thz波的时域波形求和后的结果，两个波形几乎完全重合，合成度为100％。当采用图2所示的结构时，在gaas晶圆上制备4个光电导天线构成2×2的天线阵列，电极间距为30μm，阵元间距为300μm。采用4个电源独立供电，偏置电压为50v。图6是分别单独开启各个天线阵元，利用thz时域光谱系统测得的4个天线阵元分别辐射出的thz波的时域波形，由于触发光能分布的不均匀以及天线本身的差异导致4个阵元辐射出的波形的幅值略有差异。图7中的实线是同时开启4个天线阵元获得的相干合成的thz波的时域波形；图中虚线是将图6中四个阵元辐射出的thz波的时域波形求和后的结果，两个波形几乎完全重合，合成度100％；采用上述结构及参数时，也可以用高莱探测器测试4个天线阵元单独工作时分别辐射thz波的功率和四个天线同时工作时辐射thz波相干合成后的功率，具体见表1。表1阵元1阵元2阵元3阵元4求和相干合成功率(μw)13.048.794.096.6732.5931.83由表1可知，功率的相干合成度为97.7％，如果忽略掉高莱探测器噪声的影响，其合成度也可达到100％。关于图2中阵元间距为电极间距的十倍以上的设置，如图8所示，图8为图2结构中光电导天线阵列的电极结构图，当用一个直流电源为天线阵列提供偏置电压时，天线电极b1、a2和b3、a4之间又分别形成了两个寄生天线b1a2和b3a4(如图8虚线框所示)，且寄生天线的电场方向与天线阵元aibi是相反的。设天线阵元aibi通态电阻均为r，寄生天线的通态电阻为r，由于天线单元的材料相同，衬底的横截面积相同，因此电阻值与两电极间的间距相关。由于大孔径光电导天线辐射thz波的中心波长小于天线中电流通过的区域，所以thz波可以作为平面波处理。每一个天线阵元的偏置电场为：寄生天线的偏置电场为：天线辐射thz波的电场强度与偏置电场成正比，所以，天线阵列中每一个天线阵元所在位置处辐射thz波的电场强度为：寄生天线辐射thz波的电场强度为：当用一个直流电源为4个天线阵元供电时，4个天线阵元与2个寄生天线辐射太赫兹波的电场强度为：而4个天线阵元所辐射的太赫兹波的电场强度为：所以，当用一个直流电源为4个天线阵元供电时合成度为：设电极宽度为d1，偶极子长度为d2，在(7)式中可以用天线间距l代替d表示为：当天线电极间距w为30μm时，d1和d2的取值范围为5-50μm。根据公式(8)，可以获得天线阵列的相干合成度随l的变化关系。这里，计算d1＝d2＝5μm和d1＝d2＝50μm两个极限条件下天线阵列的相干合成度随l的变化关系，结果如图9所示。从图中可以看出：(1)天线阵列的合成度随着相邻两天线阵元间距l的增大而增加。当l比较小时，合成度较低，随着l的逐渐增大，合成度不断提高，但是当l增大到一定值时，合成度的变化就比较平缓。(2)d1和d2较小时，天线的合成度较大。(3)d1和d2较大时，天线的合成度较小，因此本发明中选用天线间距(l)大于等于电极间隙(w)10倍的设计，以获得较高的合成度。本发明的一种太赫兹光电导天线阵列，消除了thz光电导天线阵列中反相偏置电场的影响，使各天线阵元辐射出的thz波达到了接近100％的合成度，大大增强了光电导天线阵列辐射thz波的强度和功率；各个天线阵元辐射出的thz波的相位完全一致，合成后的波形形状和单个天线阵元辐射出的波形完全相同，对频谱特性没有任何影响。当前第1页12