1.本发明涉及单行载流子发光二极管技术领域，尤其涉及一种圆极化太赫兹辐射源及激发方法。
背景技术：2.太赫兹(tera hertz，thz)波以其独特的性质和丰富的频谱资源，受到越来越多研究者们的青睐。高效太赫兹辐射源是太赫兹技术中至关重要的一点。基于光外差拍频的太赫兹源，频率可调节范围大，易于生成高频太赫兹信号。单行载流子光电二极管(uni-traveling-carrier photodiode，utc-pd)使用电子作为唯一有效载流子，响应速度快、饱和电流高，被广泛用作光混频器产生太赫兹波。utc-pd芯片采用单片集成方式制作，器件结构紧凑。utc-pd芯片与平面太赫兹天线集成，可以降低传输线的损耗，在很宽的频带范围输出连续可调的太赫兹辐射，实现一种室温工作的芯片级太赫兹辐射源。
3.目前，比较常见的与utc-pd芯片集成的平面天线有蝶形天线、对数周期天线。蝶形天线与utc-pd芯片集成最为广泛，易于加工，其阻抗随频率变化时相对于对数周期天线起伏更小，但是也难以在宽频带维持良好的匹配性能，工作频带范围窄，无法满足日益增长的需求；对数周期天线具有良好的增益，但是阻抗随频率变化起伏大。且这两种天线都是线极化天线，极大的限制了应用发展。目前所报告的集成天线的utc-pd太赫兹源，虽然能在较宽的频率范围读出太赫兹响应，但是辐射功率普遍不高，其中一个原因就是utc-pd与集成的天线存在阻抗不匹配，能量的耦合效率低。
4.为此，如何使用新形式的天线，通过优化集成结构，使片上天线与utc-pd在很宽的带宽达到良好的匹配，提高器件的带宽和辐射功率并拓宽该类器件的应用范围，是一个亟待解决的问题。
技术实现要素：5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种圆极化太赫兹辐射源及激发方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
6.本发明的一个方面提供了一种圆极化太赫兹辐射源，包括：utc-pd芯片、螺旋天线和介质透镜；所述utc-pd芯片，用于接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；所述螺旋天线置于螺旋天线基板上，并且所述螺旋天线内端具有三个电极，所述螺旋天线基板连接所述介质透镜，所述utc-pd芯片的n-p-n电极分别与所述三个电极相连，所述utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。
7.在本发明的一些实施例中，所述utc-pd芯片还包括无源光波导，所述两束波长不同的激光的拍频从所述无源光波导输入。
8.在本发明的一些实施例中，所述螺旋天线为平面等角螺旋天线，在所述utc-pd芯
片的n-p-n电极分别与所述平面等角螺旋天线的三个电极相连的部分为圆滑渐变结构，对所述平面等角螺旋天线的螺旋线进行了渐变减小，平滑过渡到电极结构。
9.在本发明的一些实施例中，所述螺旋天线包含两臂，所述螺旋天线的三个电极为n-p-n电极，两个n电极在螺旋天线的一旋臂上，一个p电极在螺旋天线的另一旋臂上。
10.在本发明的一些实施例中，所述螺旋天线的两臂上通过高阻带线各引出有焊盘，用于施加直流偏置。
11.在本发明的一些实施例中，所述螺旋天线基板为磷化铟inp基板。
12.在本发明的一些实施例中，所述螺旋天线的金属电极的中间电极的尺寸为3μm*15μm或3μm*25μm或3μm*50μm中任一个。
13.在本发明的一些实施例中，所述介质透镜为高阻硅透镜。
14.在本发明的一些实施例中，所述utc-pd芯片在制造过程中，通过光刻技术与所述螺旋天线集成在一起。
15.本发明的另一方面提供了一种基于以上圆极化太赫兹辐射源的激发方法，该方法包括：所述utc-pd芯片接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；所述utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。
16.本发明的圆极化太赫兹辐射源，使用圆滑渐变处理的螺旋天线，通过优化集成结构，使片上天线与utc-pd在很宽的带宽达到良好的匹配，提高了器件的带宽和辐射功率并拓宽了该器件的应用范围。本发明能够实现utc-pd芯片与螺旋天线的阻抗匹配，实现超宽带、高方向性、高集成度的圆极化太赫兹辐射。
17.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
18.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
20.图1为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源示意图。
21.图2为本发明一实施例utc-pd芯片结构示意图。
22.图3为本发明一实施例平面等角螺旋天线结构图。
23.图4为本发明一实施例平面等角螺旋天线最内端结构图。
24.图5为本发明一实施例集成过程示意图。
25.图6为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的反射系数曲线。
26.图7为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的增益和辐射效率折线图。
27.图8a为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的e面方向图。
28.图8b为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的h面方向图。
29.图9为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的轴比曲线图。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
31.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
32.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
33.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
34.图1为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源示意图，包括螺旋天线100、utc-pd芯片200、和介质透镜300。需要说明的是，utc-pd芯片位于螺旋天线下方，但由于utc-pd芯片的尺寸远小于螺旋天线的尺寸，因而其不明显可见，在下面会详细阐述其结构及连接关系。
35.图5为本发明一实施例集成过程示意图。utc-pd芯片集成到螺旋天线上，所述集成过程为超宽带太赫兹天线片上集成设计，接着将介质透镜集成到天线上。在本发明实施例中，螺旋天线置于螺旋天线基板上，并且螺旋天线内端具有三个电极，螺旋天线基板连接介质透镜，utc-pd芯片的n-p-n电极分别与螺旋天线内端的三个电极相连。utc-pd芯片用于接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号。utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由螺旋天线三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜。天线基板放置在介质透镜上，介质透镜将来自螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。
36.图2为本发明一实施例utc-pd芯片结构示意图，utc-pd芯片的电极为n-p-n电极，包括n电极210，p电极220，另一n电极230。utc-pd芯片还包括无源光波导，两束波长不同的激光的拍频从所述无源光波导240输入，用于激发本发明的圆极化太赫兹辐射源。芯片的设计输出为gsg(ground-signal-ground，地-信号-地)形式，便于后续的集成。
37.图3为本发明一实施例平面等角螺旋天线结构图，该天线为自互补结构，是典型的非频变天线，具有超宽带特性，且一般具有圆极化特性。螺旋天线包含旋臂130和旋臂140，螺旋天线的三个电极为n-p-n电极，两个n电极在螺旋天线的一旋臂130上，一个p电极在螺旋天线的另一旋臂140上。螺旋天线的两旋臂位于螺旋天线基板150上。
38.在本发明实施例中，螺旋天线的两臂上通过高阻带线各引出有焊盘，用于施加直流偏置。
39.图4为本发明一实施例平面等角螺旋天线最内端结构图，即图3所标注的160结构处放大的结构图，对该等角螺旋天线最内端的结构进行了改动，设计为与utc-pd电极形式相同的结构，图4结构151、152和153对应图2所示的电极210、220和230。这样会破坏螺旋天线固有的互补结构，最内侧螺旋结构对应的是天线的高频部分，这使得天线高频部分的阻抗匹配变差。传统等角螺旋天线的半径呈指数增长，螺线具有固定的螺旋率，所以无法独立改变内部的螺旋结构。针对阻抗匹配变差这一问题，在螺旋天线与电极连接的部分，进行了渐变处理，使其由尖锐变得圆滑，尽可能对称。通过这种渐变平滑设计，调整了n-p-n电极设计与螺旋天线设计之间的矛盾，使螺旋天线与utc-pd实现阻抗匹配，提出的超宽带片上天线可以工作在0.15-1.5thz，同时还具有圆极化特性，这是其他utc-pd芯片集成设计中所没有的，直接扩大了整个芯片模块的应用前景。n电极151和另一个n电极153位于螺旋天线的旋臂130上，p电极152位于螺旋天线的另一旋臂140上。旋臂130和旋臂140的最大距离为d，在本发明实施例中，d的取值为687.92μm。
40.在本发明实施例中，p电极152，即螺旋天线的金属电极的中间电极的尺寸为3μm*15μm或3μm*25μm或3μm*50μm中任一个。对电极间距进行的优化设计，可以使天线的阻抗与utc-pd达成匹配。该中间电极尺寸仅为示例，本发明并不限于此。
41.在本发明一实施例中，所述螺旋天线为平面等角螺旋天线，utc-pd芯片的n-p-n电极分别与平面等角螺旋天线的三个电极相连的部分为圆滑渐变结构，对平面等角螺旋天线的螺旋线进行了渐变减小，平滑过渡到电极结构，且结构尽可能对称。如图4所示，通过这种圆滑渐变结构，可以实现utc-pd芯片和平面等角螺旋天线的阻抗匹配。
42.在本发明实施例中，螺旋天线的两臂上通过高阻带线各引出有焊盘，用于施加直流偏置。对utc-pd施加反向偏压能够加速载流子移动，提升其工作性能。同时，utc-pd也可工作在零偏压下，便于充分发挥了utc-pd芯片的硬件性能。
43.介质透镜300的集成是为了消除圆极化太赫兹辐射源工作存在的表面波效应。utc-pd芯片与螺旋天线集成之后，由于太赫兹天线工作频率较高，当其被放置于介质上时，会存在表面波效应，引起辐射功率下降。针对这一问题，进行透镜天线的集成设计，介质透镜可以对辐射起到聚束作用，能够增加天线的辐射方向性和增益，并且可以有效消除表面波。
44.在本发明实施例中，所述螺旋天线基板150为磷化铟inp基板。该螺旋天线基板材料仅为示例，本发明并不限于此，主要是因为磷化铟具有高电子峰值漂移速度、高禁带宽度、高热导率等优点。
45.在本发明实施例中，介质透镜300为高阻硅透镜，硅透镜的介电常数与螺旋天线基板150接近，天线倾向于将其大部分功率辐射到介质面，有效的消除表面波效应，改善天线的反射系数和辐射方向性，避免了辐射功率下降。
46.图6为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的反射系数曲线。实现在0.15-1.5thz时反射系数在-10db以下，表明在透镜天线集成设计之后，实现了良好的阻抗匹配效果。
47.图7为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的增益和辐射效率折线图，最高增益在1thz时达到21.05dbi，辐射效率随频率逐渐增大又逐渐减小，在1thz时达到最大，表明了本发明实施例具有良好的信号增益和辐射效率。
48.图8a为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的e面方向图，图8b为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的h面方向图，e面和h面分别指的在球坐标系中相对于水平面夹角phi的面，phi＝0为e面，phi＝90
°
为h面，不同线条表示不同频率下的远场增益效果，在180
°
时增益最高，透镜的聚束效果明显，同时，在0.2-0.8thz主瓣增益不断增大，在0.8thz时达到了最大值20.2dbi(phi＝0)，在0.8-1.5thz逐渐减小。表明了圆极化太赫兹辐射源的强方向性。透镜在这里不仅仅起到会聚波束的作用，更相当于一个介质谐振器，来改善整体集成的辐射特性。
49.图9为本发明一实施例集成设计的圆极化太赫兹辐射源的轴比曲线图。本发明实施例的太赫兹辐射源在0.2-0.7thz处轴比小于3db，表明其具有圆极化特性。
50.在本发明实施例中，在utc-pd芯片200在制造过程中，通过光刻技术与螺旋天线100集成在一起。上述集成过程为超宽带太赫兹天线片上集成设计，需要说明的是，超宽带太赫兹天线片上集成设计是将螺旋天线与gsg形式的utc-pd直接集成(并非后期连接在一起)，即在制作utc-pd芯片的过程中直接制作螺旋天线，还将螺旋天线与芯片集成时内部的电极进行了额外的设计，如图4所示的圆滑渐变设计，且结构尽可能对称。透镜天线的集成设计也是采用同样方法将芯片、螺旋天线、透镜集成在一起，实现高增益输出。
51.针对以上发明圆极化太赫兹辐射源还提供了一种激发方法，其步骤为：
52.步骤1：utc-pd芯片接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；
53.步骤2：所述utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；
54.步骤3：所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。
55.综上，本发明基于utc-pd芯片，提出了一种与之集成的等角螺旋天线，并使用了高阻硅透镜改善了天线的增益。该集成天线在0.15-1.5thz的超宽工作频带内，反射系数保持在-10db以下，天线的增益最高可达21.05dbi，在0.2-0.7thz内具有圆极化特性。相比于已有的utc-pd集成天线，本发明的优点在于，使用具有超宽带特性的平面等角螺旋天线，优化了其与n-p-n电极的过渡结构，在超宽频带范围与utc-pd的阻抗达成匹配，具有超宽带、高方向性的特点，同时具有圆极化特性，增大了基于utc-pd集成天线的太赫兹源的应用范围。并且，本太赫兹辐射源一体化集成，具有高集成度的特点。
56.需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
57.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
58.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，包括utc-pd芯片、螺旋天线和介质透镜；所述utc-pd芯片，用于接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；所述螺旋天线置于螺旋天线基板上，并且所述螺旋天线内端具有三个电极，所述螺旋天线基板连接所述介质透镜，所述utc-pd芯片的n-p-n电极分别与所述三个电极相连，所述utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。2.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述utc-pd芯片还包括无源光波导，所述两束波长不同的激光的拍频从所述无源光波导输入。3.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述螺旋天线为平面等角螺旋天线，在所述utc-pd芯片的n-p-n电极分别与所述平面等角螺旋天线的三个电极相连的部分为圆滑渐变结构，对所述平面等角螺旋天线的螺旋线进行了渐变减小，平滑过渡到电极结构。4.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述螺旋天线包含两臂，所述螺旋天线的三个电极为n-p-n电极，两个n电极在螺旋天线的一旋臂上，一个p电极在螺旋天线的另一旋臂上。5.根据权利要求4所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述螺旋天线的两臂上通过高阻带线各引出有焊盘，用于施加直流偏置。6.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述螺旋天线基板为磷化铟inp基板。7.根据权利要求5所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述螺旋天线的金属电极的中间电极的尺寸为3μm*15μm或3μm*25μm或3μm*50μm中任一个。8.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述介质透镜为高阻硅透镜。9.根据权利要求1所述的圆极化太赫兹辐射源，其特征在于，所述utc-pd芯片在制造过程中，通过光刻技术与所述螺旋天线集成在一起。10.一种根据权利要求1-9任一项所述圆极化太赫兹辐射源的激发方法，其特征在于，包括：所述utc-pd芯片接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；所述utc-pd芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将utc-pd芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。
技术总结本发明提供一种圆极化太赫兹辐射源及激发方法，包括：UTC-PD芯片、螺旋天线和介质透镜；所述UTC-PD芯片，用于接收两束波长不同的激光的拍频，并产生太赫兹信号；所述螺旋天线置于螺旋天线基板上，并且所述螺旋天线内端具有三个电极，所述螺旋天线基板连接所述介质透镜，所述UTC-PD芯片的N-P-N电极分别与所述三个电极相连，所述UTC-PD芯片产生的太赫兹信号经由所述三个电极传输至所述螺旋天线，以由螺旋天线将UTC-PD芯片产生的太赫兹信号辐射向介质透镜；所述介质透镜将来自所述螺旋天线的太赫兹信号波束会聚并向外辐射。本发明能够实现UTC-PD芯片与螺旋天线的阻抗匹配，实现超宽带、高方向性、高集成度的圆极化太赫兹辐射。高集成度的圆极化太赫兹辐射。高集成度的圆极化太赫兹辐射。
技术研发人员：姚远 李琦 程潇鹤 聂闯 邓建钦 俞俊生 张亭
受保护的技术使用者：中电科思仪科技股份有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/7/5
