基于边入射光混频器的THz天线阵列

摘要

一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：一1×N分光器、N个边入射光混频器和N个THz天线，其中每一边入射光混频器的电极连接一个THz天线，每一边入射光混频器通过无源波导与1×N分光器相连接；其中频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器的输入端输入，在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器中，在边入射光混频器中混频，所产生的THz信号由THz天线发射出去，该N个THz天线信号可以实现相干叠加。本发明可以得到高性能THz天线阵列器件。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种基于边入射光混频器的 THz天线阵列。

背景技术

频率在0.1-10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波被称为太赫兹(THz) 波。由于其在电磁波谱中的特殊位置，THz波在物理、化学、天文学、生 命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、 食品检验、射电天文、无线通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的 科学研究价值和广阔的应用前景。THz波的产生是THz科学技术发展和应 用的关键。在众多种类的THz源中，基于半导体光混频器件的THz源同时 具有低成本、结构紧凑、室温工作等优点，有助于促进THz技术在科研及 日常生活中的普及应用，近年来受到越来越多的关注。在这种THz源中， 两束不同频率的光在半导体混频器中混频，所产生的THz信号由与混频器 电极相连接的THz天线发射出去。

对有限的单元天线输出功率，制作天线阵列是大幅度提高THz波输出 功率的有效途径。假设位于r_j处的阵列单元的电场为：

其中为相对相位。如果驱动光束在各个阵列单元间的光程差远小于 光源的相干长度，则每个阵列单元的辐射彼此相干(由于可用做光源的DFB 激光器的线宽在MHz数量级，其相干长度长达数米，所以这个要求很容易 满足)。如果在空间处所有的阵列单元辐射的相位都为2π的整数倍，即

则各个阵列单元的辐射发生相长干涉，总强度为，

$I_{\mathrm{tot}}\left(\overrightarrow{r}\right)={\left|{\Sigma }_{j=0}^N{\overrightarrow{E}}_j(\overrightarrow{r},t)\right|}^2={\left|e^{-\mathrm{i\omega t}}{\Sigma }_{j=0}^N{E}_{0,j}(\overrightarrow{r}-{\overrightarrow{r}}_j)\right|}^2$

$={|{\Sigma }_{j=0}^N{E}_{0,j}(\overrightarrow{r}-{\overrightarrow{r}}_j)}^2.$

如果每个阵列单元的辐射强度相等，则所以，对 于由N个单元组成的阵列天线，辐射强度增加了N×N倍，而不只是N倍。

Preu等人(S.Preu，et al.，Proc.SPIE 6194，(2006)13)和Shimizu 等人(N.Shimizu，et al.，IEEE Photonics Technology Letters，18 (2006)743)分别制作了基于低温GaAs光电导开关的3×3单元THz源阵列 和基于面入射单行载流子探测器(UTC-PD)的3×3单元THz天线阵列。相关 测试实验表明，虽然单片集成THz阵列的辐射强度较单元器件有所增加并 且波束变窄，但是远未到达理论预期的结果。在上述基于面入射UTC-PD 的THz阵列辐射源中，泵浦光通过1∶9星形耦合器分成九份之后分别垂直 照射9个天线单元。星形耦合器功率分配不均匀以及光纤与UTC-PD对准 困难使阵列天线优点无法充分发挥。在上述基于GaAs光电导开关的THz 阵列辐射源中，微透镜阵列被用来将在自由空间中传输的激发光聚焦到阵 列单元，由于难于将透镜焦点与阵列单元对准并且微透镜参数存在误差， 阵列单元接收到的辐射强度也很不均匀，严重限制了阵列性能的提高。

可见，单元混频器件的面入射方式使泵浦光很难被均匀的分配和高效 的利用，是导致单片集成THz阵列辐射源性能不佳的主要原因。为了得到 高性能阵列THz辐射源本专利提出一种基于边入射混频器的THz阵列辐射 源，利用分光器将激发光均匀高效的输送到阵列单元。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种使泵浦光能够被均匀分配 和高效利用的THz天线阵列制作方案，以得到高性能THz天线阵列器件。

本发明提供一种基于边入射光混频器的THz天线阵列，包括：

一1×N分光器、N个边入射光混频器和N个THz天线，其中每一边入 射光混频器的电极连接一个THz天线，每一边入射光混频器通过无源波导 与1×N分光器相连接；

其中频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器的输入端输入， 在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器中，在边入射光混 频器中混频，所产生的THz信号由THz天线发射出去，该N个THz天线信 号可以实现相干叠加。

本发明公开的基于边入射光混频器的THz天线阵列，其是利用分光器 将激发光均匀高效的输送到各个阵列单元，可以显著的提高阵列THz天线 的性能，由于采用单片集成技术制作，器件还具有体积小、功耗低可靠性 好的优点。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合附图和具体实施例对本发明 做进一步的描述，其中：

图1是本发明第一实施例的THz天线阵列结构示意图；

图2是本发明第二实施例凝视型THz天线阵列示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明提供一种基于边入射光混频器的THz 天线阵列，包括：

一1×N分光器a、N个边入射光混频器b和N个THz天线c，其中每一 边入射光混频器b的电极连接一个THz天线c，每一边入射光混频器b通 过无源波导a₂与1×N分光器a相连接；

频率之差等于THz频率的双模泵浦光，由分光器a的输入端a₁输入， 在输出端被均匀的分成N份输入到N个边入射光混频器b中，在边入射光 混频器b中混频所产生的THz信号由THz天线c发射出去，该N个THz天 线c的信号可以实现相干叠加。设双模泵浦光两个模式的频率分别为ω1 和ω2，并且｜ω1-ω2｜＜ω1，ω2，则双模泵浦光在边入射光混频器b中混频 产生一个频率为｜ω1-ω2｜的光电流，即THz波信号，由THz天线发c射出 去。所产生的光电流如下式：

P1，P2为光功率，为两种光的相位之差。

由于N个边入射光混频器b由经过分光器a分成N份的同一束泵浦光 激发，N个THz天线c所产生的THz信号可以实现相干叠加，所以，对于 由N个单元组成的阵列天线，辐射强度增加了N×N倍，而不只是N倍。1×N 分光器a的使用可以使泵浦光被均匀高效的输送给THz天线c，结合边入 射光混频器b的使用，使THz天线阵列的性能得到显著地提高。

其中在1×N分光器a和每一个边入射光混频器b之间的无源波导a₂上还制作有一电极d(参阅图2)。通过电流注入可以改变无源波导a₂材料 的有效折射率，进而改变泵浦光在各个THz天线c间的光程差，构成凝视 型THz天线阵列。

其中所述边入射光混频器b是边入射光电导开关，或是边入射pin型 光电探测器，或是边入射单行载流子型光电探测器。

其中所述THz天线c是共振型窄带天线或者是宽带天线。

其THz天线c的排布形式，是线阵列或者是面阵列。

其中THz天线c阵列输出的THz波是脉冲波或者连续波，频率在 0.01THz-20THz之间。

其中N个边入射光混频器b和N个THz天线c的个数N大于等于2。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制， 凡是依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与 修饰，仍属于本发明技术方案范围内，因此本发明的保护范围当以权利要 求书为准。