一种太赫兹波段光梳变频器件的制作方法

1.本发明属于变频技术领域，具体涉及一种太赫兹波段光梳变频器件。


背景技术：

2.频率是太赫兹电磁波的一个基本参量，研究太赫兹频率精确测量方法并建立太赫兹频率计量标准对太赫兹仪器设备的参数定标及6g通信等应用领域具有重要意义。以太赫兹仪器设备为例，世界上从事太赫兹仪器设备研发的机构有百余家，我国每年进口大量太赫兹辐射源、功率计、光谱仪等仪器设备，国内厂家也推出了多种类型的太赫兹仪器设备。一方面，太赫兹源的频率参数需要得到准确定标以评价其性能；另一方面，太赫兹频率测量仪器的量值需要进行溯源。建立太赫兹频率计量标准可有效解决满足太赫兹仪器设备的计量需求。由于具有不确定度水平高、量值稳定等特性，基于太赫兹波段光梳的频率计量手段备受关注。
3.变频器件是实现太赫兹波段光梳装置的核心，具体工作原理为：中心波长位于1560nm波段的近红外光梳信号入射到变频器件上，近红外光梳信号中的不同频谱成分在变频器件中的光电导体中发生差频过程。在该过程中，近红外光梳的载波包络相位偏移频率f0被相互抵消掉，同时可产生频率位于太赫兹波段的频谱成分，这些频谱成分同样具有梳齿间隔相等、高准确、高稳定等光梳信号必备的特征，就成为了太赫兹光梳。
4.现有用于太赫兹光梳的变频器件的实现方案一般如图1所示。主要由变频芯片(包括天线电极、ingaas/inalas光电导体、inp基底)、超半球硅透镜和电接口组成。
5.该方案的工作过程如下：1560nm波段的飞秒光梳脉冲入射到镀有金属天线电极的inp基底变频芯片上，近红外光梳信号中的不同频谱成分在芯片中光电导体的差频作用下产生出太赫兹光梳信号。同时，下变频器件上还设有电接口，电接口与变频芯片的天线电极相连接，用于输出被测太赫兹信号与太赫兹光梳拍频后产生的电信号，并通过测量该电信号的频率计算出被测太赫兹信号的频率值。
6.现有技术方案存在以下缺点：
7.(1)响应带宽窄。现有方案受制于光电导体材料本身的性质，响应带宽窄，有效响应频率上限一般为2.3thz，如图3所示。
8.(2)灵敏度低。现有方案中变频芯片的损伤阈值低，导致响应灵敏度低。
9.(3)寿命短。由于飞秒激光对光电导体材料存在损伤效应，同时光电导芯片容易在外界电信号作用下发生击穿损伤，造成现有变频器件可靠性差，使用寿命一般为几个月甚至更短。


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种太赫兹波段光梳变频器件，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
11.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
12.一种太赫兹波段光梳变频器件，包括光纤接口、光纤聚焦镜、变频芯片、超半球硅透镜和电接口；
13.变频芯片，包括光电导体、天线电极和inp基底；其中，光电导体为锑掺杂多层半导体，为片状结构，其上表面设置有氧化钨薄膜；天线电极蒸镀在氧化钨薄膜的上表面，其上设置有保护电路；inp基底位于光电导体的下表面；
14.外部1560nm飞秒光梳信号依次通过光纤接口、光纤聚焦镜作用在变频芯片上；同时，外部被测太赫兹信号经超半球硅透镜会聚后作用在变频芯片上；
15.天线电极和电接口通过线路连接；
16.光纤聚焦镜，被配置为用于将光纤尾纤引入的1560nm飞秒光梳脉冲进行会聚，会聚后的光斑焦点作用于光电导体上的天线电极间隙；
17.光电导体，被配置为用于将入射到其上的1560nm飞秒光梳梳齿进行差频，从而产生出太赫兹光梳信号；
18.天线电极，被配置为用于保护光电导体，传输电信号至电接口；
19.inp基底，被配置为用于为光电导体的外延生长提供基底；其厚度为12μm；
20.超半球硅透镜，被配置为用于将入射到变频器件上的被测太赫兹波聚焦至变频器件的电极间隙中；
21.电接口，被配置为用于输出从天线电极传输到其上的电信号。
22.优选地，光纤聚焦镜为圆柱形套筒结构，其直径为3.2mm，长度为10.5mm，焦距为2mm，能够会聚得到直径为50μm的光斑。
23.优选地，天线电极的材料为金属材料，其包括正极与负极，正极与负极为平行电极，正极与负极均为矩形结构，长度为80μm、宽度为2μm，正极与负极之间的电极间隙为5μm；天线电极上的保护电路包括二极管，二极管通过金线与天线电极相连接，二极管采用murs260t3，额定输出电流为2a，结温范围为-65℃～+175℃，用于避免外界电信号对变频芯片带来损伤，提高可靠性和使用寿命。
24.优选地，光电导体是基于ingaas和inalas材料交叠外延生长、并在材料中掺杂4％浓度的锑制备而成；在完成外延生长后，通过轰击工艺使其内部产生缺陷，以缩短光电导体中载流子的寿命，从而拓展了变频器件的响应带宽；光电导体与电极间制备有氧化钨材料的薄膜，厚度为285.13nm，一方面可增大1560nm飞秒光梳脉冲的透过性，提高对被测太赫兹信号的探测灵敏度，另一方面光电导材料与氧化钨间键合作用的增强可有效减小飞秒光梳脉冲对光电导体的瞬时损伤及其累积效应，从而可增加器件使用寿命。
25.优选地，超半球硅透镜由高阻硅材料加工而成。
26.优选地，电接口为bnc接口。
27.优选地，缺陷是指形状不规则、大小不等的小孔。
28.光纤尾纤将1560nm波段的飞秒光梳脉冲引入到光纤聚焦镜中，光梳脉冲经光纤聚焦镜会聚后入射到镀有金属天线电极的inp基底的变频芯片上，近红外光梳信号中的不同频谱成分在光电导体的差频作用下输出梳齿间隔相等的太赫兹光梳信号；此时，被测太赫兹信号入射到变频芯片上后，与太赫兹光梳信号发生拍频作用，在拍频作用下产生的电信号经天线电极和电接口输出，通过测量该电信号频率可计算得到被测太赫兹信号的频率值。
29.本发明所带来的有益技术效果：
30.(1)响应带宽更宽：通过光电导体内部缺陷的设计增加了响应带宽，该变频器件的响应带宽可达到6thz附近；
31.(2)灵敏度更高：通过锑掺杂和氧化钨薄膜设计提高了变频器件的灵敏度和信噪比，在4thz处的信噪比高达20db；
32.(3)可靠性更高：通过氧化钨薄膜设计和天线电极的特殊保护设计，可避免光信号和电信号给变频器件带来的损伤，从而提高可靠性和使用寿命。
附图说明
33.图1为现有光电导天线变频器件实现方案示意图；
34.图2为太赫兹波段光梳变频器件方案结构示意图；
35.图3为现有方案的响应带宽测试结果示意图；
36.图4为本发明中变频器件的响应光谱测试结果示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
38.本发明根据太赫兹波段光梳信号产生对高性能变频器件的需求，提出一种改进的变频器件。该器件从光电导体材料掺杂、缺陷引入等方面进行创新设计，有效提高了变频器件的响应带宽、灵敏度和使用寿命，具体方案如图2所示。
39.该方案主要由光纤接口、光纤聚焦镜、变频芯片(包括天线电极、ingaas/inalas缺陷光电导体、inp基底)、超半球硅透镜和电接口组成。
40.方案的工作过程如下：
41.光纤尾纤将1560nm波段的飞秒光梳脉冲引入到光纤聚焦镜中，光梳脉冲经光纤聚焦镜会聚后入射到镀有金属天线电极的inp基底的变频芯片上，近红外光梳信号中的不同频谱成分在光电导体的差频作用下输出梳齿间隔相等的太赫兹光梳信号；此时，被测太赫兹信号入射到变频芯片上后，与太赫兹光梳信号发生拍频作用，在拍频作用下产生的电信号经天线电极和电接口输出，通过测量该电信号频率可计算得到被测太赫兹信号的频率值。
42.下变频器件的核心特征为：
43.(1)光纤聚焦镜。为圆柱形套筒结构，直径3.2mm，长度10.5mm，焦距2mm，可会聚得到直径为50μm的光斑。用于将光纤尾纤引入的1560nm飞秒光梳脉冲进行会聚，会聚后的光斑焦点作用于天线电极间隙上的光电导体上。
44.(2)天线电极。天线电极材料为金，结构为平行电极，正极与负极均为矩形结构，长度为80μm、宽度为2μm，正负极电极间隙为5μm；电极上设计有二极管，二极管采用on semiconductor公司产的murs260t3，反向电压最大为600v，额定输出电流为2a，结温范围为-65℃～+175℃，采用金线与电极连接，确保电气连接的及可靠性。
45.(3)光电导体。光电导体基于ingaas和inalas材料交叠生长、并在材料中掺杂4％浓度的锑而制备；在完成外延生长后，通过轰击工艺使其内部产生缺陷，这些缺陷的引入可有效缩短材料的载流子寿命，从而拓展了下变频器件的响应带宽。光电导体与电极间制备
有氧化钨(n＝1.3678)材料的薄膜，厚度为285.13nm，一方面可增大1560nm飞秒光梳脉冲的透过性，提高对被测太赫兹信号的探测灵敏度，另一方面光电导材料与氧化钨间键合作用的增强可有效减小飞秒光梳脉冲对光电导体的瞬时损伤及其累积效应，从而可增加器件使用寿命。
46.(4)超半球硅透镜。超半球硅透镜由高阻硅材料加工而成，用于将入射太赫兹波聚焦至下变频器件的电极间隙中。
47.(5)电接口。电接口为bnc接口，通过线缆与天线电极相连，用于输出被测太赫兹信号与太赫兹光梳拍频产生的电信号。
48.如图4所示，本发明响应带宽更宽：通过光电导体内部缺陷的设计增加了响应带宽，该变频器件的响应带宽可达到6thz附近；灵敏度更高：通过锑掺杂和氧化钨薄膜设计提高了变频器件的灵敏度和信噪比，在4thz处的信噪比高达20db；可靠性更高：通过氧化钨薄膜设计和天线电极的特殊保护设计，可避免光信号和电信号给变频器件带来的损伤，从而提高可靠性和使用寿命。
49.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。