THz天线阵列的制作方法技术

一种THz天线阵列的制作方法，包括如下步骤：1)选择一衬底；2)在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、光耦合层、折射率匹配层、光吸收层、包层和接触层材料；3)依次刻蚀接触层、包层、光吸收层及折射率匹配层材料至光耦合层，刻蚀的形状为四边形结构，其为光混频器波导；4)在光混频器波导上部的接触层之上制作电极，在其两侧的光耦合层上制作电极；5)刻蚀光耦合层，刻蚀深度至无源波导层形成楔形光耦合波导；6)刻蚀无源波导层至缓冲层，形成1×N分光器、输入波导及无源波导，形成基片；7)在基片上制作THz天线，完成制备。本发明专利技术可以得到高性能THz天线阵列器件。

【技术实现步骤摘要】
THz天线阵列的制作方法
本专利技术涉及光电子器件领域，特别涉及一种THz天线阵列的制作方法。
技术介绍
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rj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，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，eta1.，Proc.SPIE6194，(2006)13)和Shimizu等人(N.Shimizu，etal.，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，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。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种THz天线阵列的制作方法，该方法使泵浦光能够被均匀分配和高效利用的THz天线阵列，以得到高性能THz天线阵列器件。本专利技术提供一种THz天线阵列的制作方法，包括如下步骤：1)选择一衬底；2)在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、光耦合层、折射率匹配层、光吸收层、包层和接触层材料；3)依次刻蚀接触层、包层、光吸收层及折射率匹配层材料至光耦合层，刻蚀的形状为四边形结构，其为光混频器波导；4)在光混频器波导上部的接触层之上制作电极，在其两侧的光耦合层上制作电极；5)刻蚀光耦合层，刻蚀深度至无源波导层形成楔形光耦合波导；6)刻蚀无源波导层至缓冲层，形成1×N分光器、输入波导及无源波导，形成基片；7)在基片上制作THz天线，完成制备。本专利技术的有益效果是，其是利用与光混频器集成的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。附图说明为了进一步说明本专利技术的内容，一下结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的描述，其中：图1是本专利技术公开的THz天线阵列结构示意图；图2是本专利技术实施例单元InP基光混频器结构示意图；图3是本专利技术实施例行波型天线示意图；图4是本专利技术实施例集总型天线示意图；图5是本专利技术实施例凝视型THz天线阵列示意图；具体实施方式实施例1请参阅图1所示，图1为本专利技术的实施例基于InP基光混频器的THz天线阵列示意图，包括输入波导a1，1×N分光器a，N个光混频器b，连接N个光混频器b和分光器a的N个无源波导a2和N个THz天线c。图2为本专利技术的实施例基于InP基光混频器的THz天线阵列的单元混频器b的结构图。制作THz阵列在InP衬底90上先后生长缓冲层91及无源波导层10，无源波导层10可由多个周期(本实施例周期数为5)的InP层(低折射率层)及InGaAsP层(高折射率层)交替组成，也可以单纯由InGaAsP材料构成。在无源波导层10上生长光耦合层20，其由InGaAsP材料层及InP材料层构成。在图2中，光耦合层20由InGaAsP材料层及InP材料层间隔构成。在光耦合层20之上生长折射率匹配层30。图2中折射率匹配层30为InGaAsP材料，其中也可以包括InP材料层。缓冲层91无源波导层10、光耦合层20及折射率匹配层30为不掺杂或n型掺杂。在折射率匹配层30之上生长InGaAsP或InGaAs光吸收层材料40，其为无掺杂或P型掺杂材料或经过离子注入处理的材料。在光吸收层40之上依次生长p型InP或InGaAsP包层50及p型InP或InGaAsP接触层60。在完成器件材料生长后依次刻蚀InGaAsP接触层60、包层50、光吸收层40及折射率匹配层30材料至光耦合层20形成四边形的光混频器波导Wp，在光混频器波导Wp上部的InGaAsP接触层60之上制作电极80，在其两侧的光耦合层20上制作电极70。之后，刻蚀光耦合层材料20至无源波导层10形成楔形光耦合波导w2，刻蚀无源波导层10至缓冲层材料91形成无源波导a2及图一所示的1×N分光器a以及输入波导a1，形成基片。所以，1×N分光器a、无源波导a2及输入波导a1都是利用无源波导层10材料制作。楔形光耦合波导w2位于无源波导a2之上，其两端宽度不同，与光混频器波导Wp相连的一端宽度大，另一端宽度小。在完成器件波导及电极制作后制作THz天线c，阵列中每个天线的两臂分别与对应混频器b的电极80及电极70相连接。图3为行波电极型天线，天线c的两臂之一同时与两个电极70相连接，另一臂连接电极80。图4为集总电极型天线，天线c的两臂之一与电极80相连，另一臂仅与电极70之一相连。THz天线c可以是共振型窄带天线或者是宽带天线。在阵列中所有单元混频器及天线都具有相同的结构。为便于使混频器工作于不同的偏置状态，可在制作THz天线的同时制作混频器的偏置电极，也分别与混频器b的电极70及80相连。在天线阵列中，双模泵浦光(两个模式频率之差等于THz频率)由输入波导a1输入，经由1×N分光器a均匀的分成N份后经由无源波导a2分别泵浦各个单元混频器b。在无源波导a2中传输的光经过楔形光耦合波导w2的作用逐渐的被耦合到光吸收层40中被吸收。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c发射出去。所产生的光电流如下式：P1，P2为光功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种THz天线阵列的制作方法，包括如下步骤：1)选择一衬底；2)在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、光耦合层、折射率匹配层、光吸收层、包层和接触层材料；3)依次刻蚀接触层、包层、光吸收层及折射率匹配层材料至光耦合层，刻蚀的形状为四边形结构，其为光混频器波导；4)在光混频器波导上部的接触层之上制作电极，在其两侧的光耦合层上制作电极；5)刻蚀光耦合层，刻蚀深度至无源波导层形成楔形光耦合波导；6)刻蚀无源波导层至缓冲层，形成1×N分光器、输入波导及无源波导，形成基片；7)在基片上制作THz天线，完成制备。

【技术特征摘要】
1.一种THz天线阵列的制作方法，包括如下步骤：1)选择一衬底；2)在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、光耦合层、折射率匹配层、光吸收层、包层和接触层材料；3)依次刻蚀接触层、包层、光吸收层及折射率匹配层材料至光耦合层，刻蚀的形状为四边形结构，其为光混频器波导；4)在光混频器波导上部的接触层之上制作电极，在其两侧的光耦合层上制作电极；5)刻蚀光耦合层，刻蚀深度至无源波导层形成楔形光耦合波导；6)刻蚀无源波导层至缓冲层，形成1×N分光器、输入波导及无源波导，形成基片；7)在基片上制作THz天线，完成制备。2.根据权利要求1所述的THz天线阵列的制作方法，其中所述无源波导层、光耦合层及折射率匹配层由具有单一折射率的材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁松，朱洪亮，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11