CN110600857A - 一种太赫兹光电导天线阵列及其探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹光电导天线阵列及其探测器，包括M×N个光电导天线阵元，每个光电导天线阵元中电极间隙g为3μm～20μm，每个光电导天线阵元相互分离。能消除传统太赫兹光电导天线阵列各阵元间的反向输出电流的影响，使得各个阵元输出的信号电流位相一致，被探测的太赫兹波能量利用率增加约为M×N倍，探测信号信噪比提高约为M×N倍。
Description
技术领域
本发明属于光电导天线技术领域，涉及一种太赫兹光电导天线阵列，还涉及上述太赫兹光电导天线阵列的探测器。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在3mm～30μm)范围内的电磁辐射。相比其他波段，太赫兹电磁波具有其独特的瞬态性、宽带性、相干性和低能性等特点，使其在物体成像、医疗诊断、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
目前，太赫兹时域光谱***(THz-TDS)大多采用电光晶体和光电导探测天线两种方式对太赫兹脉冲进行相干探测，其中光电导探测天线的原理本质是当THz-TDS中的探测光脉冲照射在光电导探测天线上产生光生电子-空穴对(自由载流子)，与此同时，被探测的太赫兹脉冲电场加载在光电导天线上，驱动光生载流子，从而在光电导天线中形成光电流信号。由于太赫兹波经过离轴抛物面镜聚焦后的光斑直径约为3mm，而常用的太赫兹光电导探测天线间隙极小(约为3μm～20μm)，使得在探测过程中的太赫兹脉冲的能量利用率低下，调节难度高，信噪比最优约为60dB。太赫兹时域光谱***要求探测器具有高信噪比、高利用率等特点，而使用光电导探测阵列天线是提高光电导天线探测效率的一个有效途径。由于传统的太赫兹光电导天线阵列存在以下三个关键的技术难点；(1)太赫兹光电导天线阵列中各阵元输出电流的相位难以同步控制；(2)太赫兹光电导天线阵列中各相邻阵元间存在反向输出电流；(3)太赫兹光电导天线阵列中太赫兹脉冲能量利用率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹光电导天线阵列，能提高光电导天线阵列探测太赫兹波的灵敏度和信噪比。
本发明所采用的技术方案是，一种太赫兹光电导天线阵列，包括M×N个光电导天线阵元，每个光电导天线阵元中电极间隙g为3μm～20μm，每个光电导天线阵元相互分离。
本发明的特点还在于：
相邻两个光电导天线阵元的阵元间距L为100μm～300μm。
每个光电导天线阵元中极间宽度w为10μm～30μm。
每个光电导天线阵元中天线长度l为30μm～90μm。
本发明的另一目的是提供一种太赫兹光电导天线阵列的探测器。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种太赫兹光电导天线阵列的探测器，包括电路板，电路板上安装有M×N个相互分离的支撑衬底，每个支撑衬底上安装有光电导天线阵元，每个光电导天线阵元的正负极焊点分别与电路板的正负极焊点对应连接；
光电导天线阵元为上述光电导天线阵元。
电路板设置有BNC端口。
支撑衬底的材料包括砷化镓、高阻硅、砷化铟、锑化锌、硒化镓、磷化铟、铟镓砷中的任意一种。
本发明的有益效果是：
本发明的太赫兹光电导天线阵列，能消除传统太赫兹光电导天线阵列各阵元间的反向输出电流的影响，使得各个阵元输出的信号电流位相一致，被探测的太赫兹波能量利用率增加约为M×N倍，探测信号信噪比提高约为M×N倍。
附图说明
图1是本发明一种太赫兹光电导天线阵列的结构示意图；
图2是本发明一种太赫兹光电导天线阵列的一种实施例的结构示意图；
图3是本发明一种太赫兹光电导天线阵列的探测器结构示意图；
图4是本发明一种太赫兹光电导天线阵列的另一种实施例的实验测试结果图；
图5是本发明一种太赫兹光电导天线阵列的实验测试结果与理论计算结果对比示意图。
图中，1.光电导天线阵元，2.电路板，3.支撑衬底，4.BNC端口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种太赫兹光电导天线阵列，如图1所示，包括M×N个光电导天线阵元1，每个光电导天线阵元1中电极间隙g为3μm～20μm，每个光电导天线阵元1安装在相互分离的支撑衬底3上。每个M×N阵元的砷化镓支撑衬底(基底边长3cm)利用阵元隔离技术形成各自独立的单元(虚线为各阵元边界)，避免每个光电导天线阵元1之间产生反向探测电流信号。
相邻两个光电导天线阵元1的阵元间距L为100μm～300μm。
每个光电导天线阵元1中极间宽度w为10μm～30μm。
每个光电导天线阵元1中天线长度l为30μm～90μm。
一种太赫兹光电导天线阵列的探测器，如图3所示，包括电路板2，电路板2上安装有M×N个相互分离的支撑衬底3，每个支撑衬底3上安装有光电导天线阵元1，每个光电导天线阵元1安装在相互分离的支撑衬底3上，电路板2设置有BNC端口4。
每个支撑衬底3用阵元隔离技术形成独立的单元，利用凸透镜将探测太赫兹波光斑直径聚焦为3mm，可以完全覆盖天线阵列；同时每个光电导天线阵元1的正负极焊点用金丝分别与电路板2的正负极焊点对应连接，利用PCB电路板双面布线，保证PCB电路板传输线长度一致，最终汇集成一路电流信号通过BNC端口4用同轴线与锁相放大器连接，进行太赫兹波相干探测。
支撑衬底3的材料包括砷化镓、高阻硅、砷化铟、锑化锌、硒化镓、磷化铟、铟镓砷中的任意一种。
实施例1
当采用图1所示的太赫兹光电导天线阵列结构时，选用电极间隙g为5μm的光电导天线阵元1，利用阵元隔离技术将阵列天线中各个光电导天线阵元1相互分离，避免相邻阵元之间产生反向探测电流，形成M×N个光电导天线阵元1构成的天线阵列。
实施例2
如图2所示，阵元间距(L＝300μm)、电极间隙(g＝5μm)、极间宽度(w＝30μm)、天线长度(l＝90μm)，单个光电导天线阵元1为300μm×300μm，支撑衬底3是利用液拉直封法制备的(100)径向的半绝缘GaAs，其尺寸为3mm×3mm，其电阻率高于107Ω·cm，厚度为0.6mm，对波长为800nm飞秒激光的吸收深度约为1μm。光电导天线阵元1总数为8个，因此在光斑直径为3mm的被探测的太赫兹脉冲的作用下，约有8个光电导天线阵元被太赫兹脉冲电场调制，使用更为方便，探测性能更优。
在支撑衬底3上使用常规光刻技术制备电极形状，然后通过电子束蒸发在支撑衬底3上沉积Ni/Au-Ge/Au的混合物，最后通过快速热退火使其合金化，准确控制退火时间和温度，就制备了具有AuGeNi合金欧姆接触电极的半绝缘砷化镓太赫兹光电导天线阵列。
实施例3
如图4所示，随机选择太赫兹光电导天线阵列中任意两个光电导天线阵元，构成1×2天线阵列，进行太赫兹波相干探测，图中给出各个光电导天线阵元以及天线阵列的探测结果。实验结果显示，天线阵列的探测性能比单个光电导天线阵元的探测性能有了大幅度的提升，信噪比增加倍数为1.6倍。
实施例4
如图5所示，随机选择太赫兹光电导天线阵列中任意两个阵元，构成1×2天线阵列的实际探测结果略低于理论计算增长倍数，其实际增长幅度约为理论计算的80％。
本发明的太赫兹光电导天线阵列的探测器的工作过程如下：
利用凸透镜将探测太赫兹波光斑直径聚焦为3mm，可以完全覆盖本发明的天线阵列；同时每个光电导天线阵元1在电路板2上汇集成一路电流信号通过BNC端口4用同轴线与锁相放大器连接，进行太赫兹波相干探测。
本发明的太赫兹光电导天线阵列的探测器的工作原理如下：
当被探测的太赫兹脉冲照射天线阵列时，相当于给各个光电导天线阵元1施加了变化的太赫兹电场，各个光电导天线阵元1输出信号电流，可以视为并联的理想电流源，由于时域光谱***探测时噪声属于无规则信号，各光电导天线阵元1输出电流信号叠加后的噪声值小于等于单个阵元天线探测的噪声值，太赫兹探测信号幅值则增加约M×N倍，因此光电导探测天线阵列的信噪比提高约M×N倍。
本发明的太赫兹光电导天线阵列，利用阵元隔离技术将阵列天线中各个光电导天线阵元相互分离，要探测的太赫兹波光斑完全覆盖光电导探测天线阵列时，各个光电导天线阵元间有光生载流子产生，当太赫兹脉冲聚焦到光电导探测天线阵列上时，在太赫兹电场的作用下，各个光电导天线阵元阵元产生的输出电流信号位相相同、从而输出电流信号方向相同，避免各个光电导天线阵元间产生输出电流信号相互干扰，能有效提高光电导天线阵列探测太赫兹波的灵敏度和信噪比。
Claims (7)
1.一种太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，包括M×N个光电导天线阵元(1)，每个所述光电导天线阵元(1)中电极间隙g为3μm～20μm，每个所述光电导天线阵元(1)相互分离。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，相邻两个光电导天线阵元(1)的阵元间距L为100μm～300μm。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，每个所述光电导天线阵元(1)中极间宽度w为10μm～30μm。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹光电导天线阵列，其特征在于，每个所述光电导天线阵元(1)中天线长度l为30μm～90μm。
5.一种太赫兹光电导天线阵列的探测器，其特征在于，包括电路板(2)，所述电路板(2)上安装有M×N个相互分离的支撑衬底(3)，每个所述支撑衬底(3)上安装有光电导天线阵元(1)，每个所述光电导天线阵元(1)的正负极焊点分别与电路板(2)的正负极焊点对应连接；
所述光电导天线阵元(1)为权利要求1-4任意一项所述的光电导天线阵元。
6.根据权利要求5所述的一种太赫兹光电导天线阵列的探测器，其特征在于，所述电路板(2)设置有BNC端口(4)。
7.根据权利要求5所述的一种太赫兹光电导天线阵列的探测器，其特征在于，所述支撑衬底(3)的材料包括砷化镓、高阻硅、砷化铟、锑化锌、硒化镓、磷化铟、铟镓砷中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191220 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |