太赫茲信號耦合裝置製造方法
2023-12-07 08:44:06 2
太赫茲信號耦合裝置製造方法
【專利摘要】本發明提出的一種太赫茲信號耦合裝置，包括以矩形波導為埠的喇叭天線和平面鏡構成的準光腔，以及置於準光腔諧振駐波波腹處，獲得最大而均勻耦合強度集成有太赫茲陣元的晶片。所述晶片以晶體材料為基底製備，作為介質諧振器，通過電磁場仿真確定其諧振模式和諧振頻率；集成化太赫茲陣元的陣列製備於晶片的中心線上諧振駐波的波腹處，以獲得最大的耦合強度；利用作為介質諧振器的晶片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構成的準光腔的諧振模式的匹配，來實現晶片上太赫茲陣元與波導傳輸線的有效耦合。本發明解決了工程應用中晶片上集成化陣元與常規微波傳輸線的高效耦合的難題。
【專利說明】太赫茲信號耦合裝置
【技術領域】
[0001]本發明是關於一種結合準光學原理，實現超寬頻可調諧的太赫茲傳輸器件，特別適用於太赫茲頻段集成化陣元與波導等常規微波傳輸線耦合的裝置。
【背景技術】
[0002]太赫茲頻段是一個非常有科學研究價值的電磁波頻段，它介於毫米波頻段與紅外線頻段之間，屬於遠紅外波段。太赫茲的應用除了太赫茲輻射源，太赫茲傳輸器件，太赫茲探測器等關鍵器件之外，還必須解決不同器件之間的耦合問題。由於物質在太赫茲頻段的發射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學信息，並且太赫茲波具有波長短、方向性好、光子能量低、高穿透性等獨特性質，因此太赫茲技術逐漸成為國際研究的熱點。它在物理、化學、天文學、生命科學和醫學等基礎研究領域，以及安全檢查、無損檢測、生物成像、環境監測、食品檢驗、環境監測、醫療診斷、雷達偵察、衛星通信和天文觀測等領域等應用研究領域均有著巨大的科學研究價值。現階段，太赫茲輻射源還普遍存在功率小、效率低等問題；而且，熱背景噪聲相對較高，需要高靈敏度的手段探測太赫茲信號，於是就對太赫茲波的高效傳輸與耦合提出了更高的要求。對於太赫茲信號的發射與接收，可以通過組建陣列的方式來大幅提高發射功率或接收靈敏度。同時，鑑於太赫茲頻段波長較短，一般在亞毫米量級，能夠實現大規模陣列的陣元的高密度集成，將成百上千個陣元集成於一個晶片上。但是，如何實現集成化的陣元與常規微波傳輸線的有效耦合，便成為了一個亟待突破的難題。
[0003]目前，在太赫茲頻段廣泛採用的耦合方法可大致分為兩類，一類是將常規的微波耦合方法推廣至太赫茲頻段；另一類是借鑑準光學的能量耦合方法應用於太赫茲頻段。對於第一類方法，要實現晶片上陣元與波導等傳輸線的有效耦合，往往採用波導微帶過渡、共面天線等方法。但是隨著頻率的升高，常規基片的損耗與金屬的表面損耗迅速增大；同時，由於高頻段波長較短，對微帶與金屬腔體的機械加工精度也很難實現。因此，第一類方法往往局限於亞太赫茲頻段，即0.11--11取頻段。對於第二類方法，往往採用拋面鏡、透鏡等準光學方法來合理設計光路，實現能量的有效耦合。此方法能夠覆蓋整個太赫茲頻段，但是通常用於II取?101取頻段。而且，如何實現晶片上大規模陣列的多個陣元的有效耦合，尤其是保證相位的同步性；以及如何與常規的微波傳輸線完美兼容，還沒有得到合理解決。因此，在太赫茲頻段，實現晶片上集成化陣元與常規微波傳輸線的高效耦合還是工程應用中面臨的一個難題。
【發明內容】
[0004]本發明目的是針對上述現有技術存在的不足之處，提供一種結構簡單，易於加工實現、易於操作調諧、工作頻率超寬、耦合強度高、相位同步性好，能夠將集成於晶片上的大規模陣列的陣元與波導實現有效耦合，提高太赫茲信號的發射與接收的效率，特別是能夠適用於整個0.11--101取太赫茲頻段，並且耦合頻率與耦合強度可調的太赫茲信號耦合 |101|裝直。
[0005]本發明的上述目的可以通過以下技術方案予以實現，一種太赫茲信號耦合裝置，包括以矩形波導為埠的喇叭天線和平面鏡構成的準光腔，以及置於準光腔諧振駐波波腹處，獲得最大而均勻耦合強度集成有太赫茲陣元的晶片，其特徵在於:晶片以晶體材料為基底製備，作為介質諧振器，通過電磁場仿真確定其諧振模式和諧振頻率；集成化太赫茲陣元的陣列製備於晶片的中心線上諧振駐波的波腹處，以獲得最大的耦合強度；利用作為介質諧振器的晶片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構成的準光腔的諧振模式的匹配，來實現晶片上太赫茲陣元與波導傳輸線的有效耦合。
[0006]本發明相比於現有技術具有如下有益效果:
結構簡單，易於加工，易於操作。本發明以矩形波導為埠的喇叭天線與一個平面鏡構成的準光腔，將集成有太赫茲陣元的晶片置於其諧振駐波的波腹處，充分利用作為介質諧振器的晶片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構成的準光腔的諧振模式的匹配，來實現晶片上太赫茲陣元與波導傳輸線的有效耦合，所用器件少，結構簡單，構成的準光學系統簡潔，製造工藝要求低，易於加工，易於操作解決了現有技術製造工藝要求高，實際應用較困難，難於加工等問題。
[0007]易於操作調諧，工作頻率寬。本發明將集成化陣元置於晶片的中線位置處，使其同時處於晶片上多個諧振模式的波腹中。通過調節晶片、平面鏡與喇叭天線三者的相對位置，使得晶片不同的諧振模式分別與準光腔相應的諧振模式匹配，實現工作頻率可調。而且，太赫茲晶片採用高頻損耗低、介電常數低、厚度薄的晶體材料作為基片，這樣即使在太赫茲頻段，晶片也能夠有多個簡單的諧振模式，易於與準光腔諧振模式匹配，且覆蓋頻率範圍寬。解決了工程應用中晶片上集成化陣元與常規微波傳輸線的耦合頻點單一，難以調諧的問題。
[0008]耦合強度高，強度可調諧。本發明能夠將集成於晶片上的大規模陣列的陣元與波導實現高效耦合，提高太赫茲信號的發射與接收的效率。當晶片的諧振模式與準光腔的諧振模式完美匹配時，便實現了晶片上集成的太赫茲陣元與波導埠的有效耦合。實驗結果表明，其耦合效率相對於現有技術所用的方法提高了幾十倍。同時，可通過調節晶片、平面鏡和喇叭天線三者的相對位置，來方便地調諧耦合強度，這是現有技術很難實現的。
[0009]相位同步性好。本發明結合準光學的方法，充分利用作為介質諧振器的晶片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構成的準光腔的諧振模式的匹配，來實現晶片上太赫茲陣元與波導傳輸線的有效耦合，並將集成於晶片上的大規模陣列的陣元處於同一個晶片諧振模式的波腹中，實現與波導傳輸線耦合的相位是同步，解決了常規的準光學系統由於光路設計複雜，不易操作，難以與大規模陣列中多個陣元同步耦合，不便與常規微波傳輸線兼容等問題。
[0010]本發明特別適用於0.1THz?1THz整個太赫茲頻段，並且耦合頻率與耦合強度可調的太赫茲信號耦合裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明所述太赫茲信號耦合裝置的分解示意圖。
[0012]圖中:I矩形波導、2喇叭天線，3晶片、4平面鏡。
【具體實施方式】
[0013]下面結合基於零壓偏置的肖特基二極體串聯陣列的太赫茲信號檢測系統，對本發明進行進一步說明。
[0014]參閱圖1。在以下描述的一個最佳實施例中，太赫茲信號耦合裝置包括一個以矩形波導1為埠的喇叭天線2與一個平面鏡4構成的準光腔，以及製備有太赫茲陣元的晶片3。晶片自身就作為一個介質諧振器使用。晶片3是採用半導體微加工工藝在高阻矽基片上製備肖特基二極體串聯陣列和用於零壓偏置的電極。通過電磁場仿真確定作為介質諧振器的晶片的諧振模式和諧振頻率。並將陣列置於晶片的諧振駐波的中心波腹處，即晶片的中心線，使得能夠有多種諧振模式可選，以便實現工作頻率可調諧，即工作在諧振頻率點。太赫茲晶片的集成化陣元是具備太赫茲信號產生與檢測性能的器件；陣列結構可為串聯、並聯，以及其它任意結構。太赫茲晶片採用高頻損耗低、介電常數低、厚度薄的晶體材料作為基片，這樣即使在太赫茲頻段，晶片也能夠有多個簡單的諧振模式，易於與準光腔諧振模式匹配，且覆蓋頻率範圍寬。
[0015]利用一個喇叭天線2與一個平面鏡4構成準光腔，通過電磁場仿真得到以上選定的工作頻率的諧振模式，以確定喇叭天線與平面鏡之間的距離和諧振駐波的波腹位置。喇叭天線的波導埠與平面鏡之間的距離應為為工作頻率的半波長的整數倍。同時，將集成有太赫茲陣元的晶片3置於準光腔諧振駐波的波腹處，波腹處距離平面鏡為工作頻率的⑶/2+1/4)波長處⑶=0，1，2，…)，以獲得最大而均勻的耦合強度。
[0016]當喇叭天線2、平面鏡4和晶片3三者的相對位置按照以上描述確定後，晶片諧振模式將與準光腔諧振模式的完美匹配。通過喇叭天線2的矩形波導埠 1饋入待測太赫茲信號，必將激起喇叭天線2與平面鏡4構成的準光腔的諧振駐波。由於晶片3的諧振模式與準光腔的諧振模式也是匹配的，同樣也會激起作為介質諧振腔的晶片3的諧振。由太赫茲信號檢測陣元肖特基二極體組成的串聯陣列處於晶片3諧振駐波的中心波幅處，能夠能量均勻而相位同步地接收到待測的太赫茲信號，這樣就實現了波導埠 1與晶片3上串聯陣列的陣元的高效耦合。同時，從晶片3上的電極就可以讀出零壓偏置的肖特基二極體串聯陣列的各陣元的感應出的相位同步的電壓信號，使得其檢測靈敏度相比單個肖特基二極體得到顯著提高。
【權利要求】
1.一種太赫茲信號耦合裝置，包括以矩形波導為埠的喇叭天線和平面鏡構成的準光腔，以及置於準光腔諧振駐波波腹處，獲得最大而均勻耦合強度集成有太赫茲陣元的晶片，其特徵在於:晶片以晶體材料為基底製備，作為介質諧振器，通過電磁場仿真確定其諧振模式和諧振頻率；集成化太赫茲陣元的陣列製備於晶片的中心線上諧振駐波的波腹處，以獲得最大的耦合強度；利用作為介質諧振器的晶片的諧振模式與喇叭天線和平面鏡構成的準光腔的諧振模式的匹配，來實現晶片上太赫茲陣元與波導傳輸線的有效耦合。
2.如權利要求1所述的太赫茲信號耦合系統，其特徵在於:通過電磁場仿真確定作為介質諧振器的晶片的諧振模式和諧振頻率，並將太赫茲陣元置於晶片的諧振駐波的中心波腹處，即晶片的中心線，使得能夠有多種諧振模式可選，以便實現工作頻率可調諧，即工作在諧振頻率點。
3.如權利要求2所述的太赫茲信號耦合裝置，其特徵在於:通過喇叭天線(2)的矩形波導埠( I)饋入待測太赫茲信號，激起喇叭天線(2)與平面鏡(4)構成的準光腔的諧振和作為介質諧振器的晶片(3)的諧振。
4.如權利要求1所述的太赫茲信號耦合裝置，其特徵在於:以矩形波導為埠軸向連接喇叭天線，平面鏡(4)與所述晶片(3)平行，正對喇叭天線的喇叭口端，晶片(3)位於平面鏡與喇叭天線構成的準光腔之間。
5.如權利要求2所述的太赫茲信號耦合裝置，其特徵在於:太赫茲陣列的陣元處於晶片(3)諧振駐波的中心波腹處，實現波導埠(I)與晶片(3)上陣列中陣元的高效耦合。
6.如權利要求1所述的太赫茲信號耦合裝置，其特徵在於:所述的太赫茲晶片的集成化陣元是具備太赫茲信號產生或檢測性能的器件；陣列結構可為串聯、並聯，以及其它任意結構。
【文檔編號】H01P5/18GK104466337SQ201410651908
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】宋鳳斌, 程焱, 朱勇 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所