[发明专利]在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线

说明书

本发明涉及太赫兹发射天线的优化设计，为对沿共面传输线的太赫兹波导传输过程进行操控，实现对太赫兹光电导发射天线的背向辐射特性的有效控制。本发明在传输线上集成微结构的太赫兹光电导发射天线，由电极、传输线、天线节、衬底及微结构五部分构成，衬底材质为本征砷化镓，电极、传输线及天线节镀在衬底表面，电极位于天线四角；两根传输线对称设置，每根传输线两端分辨分别与两个电极相连；天线节位于天线的中间，金属微结构包括结构相同的两个部分，每一部分与天线节结构一致，两个部分在天线节两侧对称设置，金属微结构材质与电极相同。本发明主要应用于太赫兹发射天线的设计制造场合。

技术领域

本发明涉及太赫兹发射天线的优化设计，具体是在太赫兹光电导发射天线的传输线上集成微结构，以增强或改变太赫兹发射天线的辐射特性。

背景技术

太赫兹波(Terahertz wave,THz wave)是指频率介于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)，即波长处于3mm-30μm的电磁波。在电磁波谱中，太赫兹波处于微波与红外辐射之间[1]。但由于缺乏高效的太赫兹源和探测器，太赫兹波段在广袤的电磁波谱上一直处于一个“空白”阶段，即太赫兹空隙(Terahertz gap)。直至20世界80年代中期，这种情况才由于超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展有所改进，由这两种技术提供的新的太赫兹源和探测器，将太赫兹空隙迅速缩小，使得太赫兹领域的研究得以迅速发展[2]。太赫兹以其高于微波的频率和较低的光子能量，特异的穿透性和丰富的物质指纹谱，引起了研究人员的浓厚兴趣，在无线通信、无损检测、人体安检、医疗检查等众多领域都有广泛的应用前景[3]。

在太赫兹科学与技术的发展中，太赫兹源的作用无疑是巨大的，因此太赫兹源的研究是居于首要位置的。目前超快激光技术是开发宽频太赫兹源的主要技术之一，其发展给太赫兹源带来了巨大的机遇。目前已有的基于超快激光技术的太赫兹源包括光电导天线、非线性晶体、空气等离子体及光敏半导体等[4]。

太赫兹光电导发射天线作为目前使用最为广泛的一种太赫兹源[2]，广泛应用于太赫兹技术的众多方面。天线是由半导体衬底和蒸镀在其表面的金属传输线及电极组成，半导体的选择根据激发波长有所不同，较有代表性的是砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)和InGaAs等光敏半导体。太赫兹光电导发射天线的工作原理为：以光子能量大于半导体禁带能量的飞秒激光入射至半导体衬底时，会在衬底内产生光生载流子，通过天线的金属传输线外加电场于光生载流子，驱动其加速运动产生太赫兹波[5]。产生的太赫兹波以多种方式向外传播，除辐射模式外，还包括沿共面传输线传输和在衬底中传输的两种波导传输模式。在实际应用中，主要利用的是透过衬底背面向外传播的背向透射部分，该部分太赫兹波被紧贴在太赫兹光电导天线上的硅制透镜会聚后形成发射角较小的太赫兹波束。基于光电导天线机制的太赫兹源具有集成度高的特点，更利于太赫兹仪器的开发，因此市场化的太赫兹系统多采用光电导天线作为其辐射源。但目前为止，光电导天线的主要问题是背向辐射特性操控困难和辐射效率低，即不具备控制太赫兹波振幅和相位的频域分布特性的能力，控制背向辐射偏振状态的能力很差，背向辐射效率很低，这很大程度上限制了天线的应用推广潜力[6,7]。

人工超材料(Metamaterials)是一种与电磁波发生强相互作用的新型人工电磁结构，在微波、太赫兹波和光波段都开展了相关研究。不同波段的超材料有不同的材料，更重要的是，其几何大小显著不同。已有的太赫兹波段人工电磁超材料多用于对传输中的太赫兹波进行滤波、调相和偏振控制，实现了多种太赫兹波段的功能器件[8-12]。然而截止目前，用超材料来控制光电导天线辐射太赫兹波的辐射特性还未见报道。如果将太赫兹波段的超材料结构集成到光电导天线的构架中，在太赫兹波的辐射过程中同时调制太赫兹波，便有可能控制光电导天线的辐射特性，为研发功能多样、性能优异的太赫兹源提供一条新的路径。。

参考文献：

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