[發明專利]在傳輸線上集成微結構的太赫茲光電導發射天線

在審

• 申請號: 201910854600.7
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110690569A
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 谷建強;史璽辰
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01Q1/50
• 分類號: H01Q1/50;H01Q15/00
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 劉國威

本發明涉及太赫茲發射天線的優化設計，為對沿共面傳輸線的太赫茲波導傳輸過程進行操控，實現對太赫茲光電導發射天線的背向輻射特性的有效控制。本發明在傳輸線上集成微結構的太赫茲光電導發射天線，由電極、傳輸線、天線節、襯底及微結構五部分構成，襯底材質為本征砷化鎵，電極、傳輸線及天線節鍍在襯底表面，電極位于天線四角；兩根傳輸線對稱設置，每根傳輸線兩端分辨分別與兩個電極相連；天線節位于天線的中間，金屬微結構包括結構相同的兩個部分，每一部分與天線節結構一致，兩個部分在天線節兩側對稱設置，金屬微結構材質與電極相同。本發明主要應用于太赫茲發射天線的設計制造場合。

技術領域

本發明涉及太赫茲發射天線的優化設計，具體是在太赫茲光電導發射天線的傳輸線上集成微結構，以增強或改變太赫茲發射天線的輻射特性。

背景技術

太赫茲波(Terahertz wave,THz wave)是指頻率介于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)，即波長處于3mm-30μm的電磁波。在電磁波譜中，太赫茲波處于微波與紅外輻射之間[1]。但由于缺乏高效的太赫茲源和探測器，太赫茲波段在廣袤的電磁波譜上一直處于一個“空白”階段，即太赫茲空隙(Terahertz gap)。直至20世界80年代中期，這種情況才由于超快光電子技術和低尺度半導體技術的發展有所改進，由這兩種技術提供的新的太赫茲源和探測器，將太赫茲空隙迅速縮小，使得太赫茲領域的研究得以迅速發展[2]。太赫茲以其高于微波的頻率和較低的光子能量，特異的穿透性和豐富的物質指紋譜，引起了研究人員的濃厚興趣，在無線通信、無損檢測、人體安檢、醫療檢查等眾多領域都有廣泛的應用前景[3]。

在太赫茲科學與技術的發展中，太赫茲源的作用無疑是巨大的，因此太赫茲源的研究是居于首要位置的。目前超快激光技術是開發寬頻太赫茲源的主要技術之一，其發展給太赫茲源帶來了巨大的機遇。目前已有的基于超快激光技術的太赫茲源包括光電導天線、非線性晶體、空氣等離子體及光敏半導體等[4]。

太赫茲光電導發射天線作為目前使用最為廣泛的一種太赫茲源[2]，廣泛應用于太赫茲技術的眾多方面。天線是由半導體襯底和蒸鍍在其表面的金屬傳輸線及電極組成，半導體的選擇根據激發波長有所不同，較有代表性的是砷化鎵(Gallium Arsenide，GaAs)和InGaAs等光敏半導體。太赫茲光電導發射天線的工作原理為：以光子能量大于半導體禁帶能量的飛秒激光入射至半導體襯底時，會在襯底內產生光生載流子，通過天線的金屬傳輸線外加電場于光生載流子，驅動其加速運動產生太赫茲波[5]。產生的太赫茲波以多種方式向外傳播，除輻射模式外，還包括沿共面傳輸線傳輸和在襯底中傳輸的兩種波導傳輸模式。在實際應用中，主要利用的是透過襯底背面向外傳播的背向透射部分，該部分太赫茲波被緊貼在太赫茲光電導天線上的硅制透鏡會聚后形成發射角較小的太赫茲波束。基于光電導天線機制的太赫茲源具有集成度高的特點，更利于太赫茲儀器的開發，因此市場化的太赫茲系統多采用光電導天線作為其輻射源。但目前為止，光電導天線的主要問題是背向輻射特性操控困難和輻射效率低，即不具備控制太赫茲波振幅和相位的頻域分布特性的能力，控制背向輻射偏振狀態的能力很差，背向輻射效率很低，這很大程度上限制了天線的應用推廣潛力[6,7]。

人工超材料(Metamaterials)是一種與電磁波發生強相互作用的新型人工電磁結構，在微波、太赫茲波和光波段都開展了相關研究。不同波段的超材料有不同的材料，更重要的是，其幾何大小顯著不同。已有的太赫茲波段人工電磁超材料多用于對傳輸中的太赫茲波進行濾波、調相和偏振控制，實現了多種太赫茲波段的功能器件[8-12]。然而截止目前，用超材料來控制光電導天線輻射太赫茲波的輻射特性還未見報道。如果將太赫茲波段的超材料結構集成到光電導天線的構架中，在太赫茲波的輻射過程中同時調制太赫茲波，便有可能控制光電導天線的輻射特性，為研發功能多樣、性能優異的太赫茲源提供一條新的路徑。。

參考文獻：

[1]siegel P H.Transactions on Microwave Theory and Techniques[J].IEEE,2002,50:910.