CN218213513U - 光电导天线和具有其的太赫兹偏振探测器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光电导天线和具有其的太赫兹偏振探测器，属于太赫兹的技术领域。在此，光电导天线包括超透镜和包括多个光导天线组的天线模块。在本申请中通过使用超透镜可以将不同偏振态的太赫兹波精确聚焦到对应的光导天线组上，显著减小器件体积，并且本申请的光电导天线可以通过半导体工艺精确加工、大批量生产并且精确对准。

Description

光电导天线和具有其的太赫兹偏振探测器

技术领域

本申请涉及太赫兹的技术领域，具体地涉及一种光电导天线和具有其的太赫兹偏振探测器。

背景技术

太赫兹是指介于微波和中红外波段之间的电磁波段，频率为0.1-10THz(波长约为30μm至3mm)。太赫兹波段的电磁波具有频带宽、光子能量低、安全性好、强光谱分辨能力、相干性强等优点，因此在无线通信(如6G通信)、雷达和成像、医学诊断、材料标准、安全检测等领域具有广泛的应用前景。

现有技术中的太赫兹源发出的太赫兹波的发散角大，近似于点源辐射球面波。因此，现有技术中的太赫兹源需要贴合半球硅透镜使用，尤其在太赫兹偏振探测器的应用中，由于半球硅透镜非平面，使得其难以与光电导天线进行集成，并且需要复杂的技术手段使其与光电导天线精确对准，所需成本较高且量产难度大。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请在第一方面中提出了一种新型的光电导天线，其包括：

超透镜和天线模块，其中

超透镜包括超透镜衬底和设置在超透镜衬底上的周期性排布的纳米结构，

天线模块包括至少两个光导天线组，所述光导天线组彼此正交设置，并且天线模块在太赫兹波的入射方向上设置在超透镜的下游，

超透镜配置为，在太赫兹波入射的情况下，通过设置纳米结构的材料、几何参数和/或排布，根据入射的太赫兹波的偏振态，将不同偏振态的太赫兹波聚焦到不同的光导天线组上。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，光导天线组彼此分离地设置在同一平面中。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，光导天线组包括电极，所述电极能够构成为锥型结构、偶极子结构、螺旋形结构。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，对于x偏振和y偏振，超透镜的纳米结构的相位分布满足：

其中x₁、y₁和x₂、y₂分别是所述光导天线组的位置坐标，f₁和f₂分别为超透镜对应所述x偏振和所述y偏振的焦距。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，纳米结构包括各向异性结构。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，所述各向异性结构包括矩形柱、椭圆柱、不对称的十字柱、正交矩形柱中的任一或其任意的组合。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，所述天线模块的所述光导天线组设置在所述超透镜衬底的背离纳米结构的一侧上。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，天线模块还包括用于承载光导天线组的天线衬底，光导天线组设置在天线衬底的背离超透镜的一侧上。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，天线模块还包括用于承载光导天线组的天线衬底，光导天线组设置在天线衬底的朝向超透镜的一侧上。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，纳米结构设置在超透镜衬底的朝向或背离天线衬底的一侧上。

在本申请的光电导天线的一个实施方式中，天线模块和超透镜通过晶圆级封装结合。

在本申请的第二方面中，提出一种太赫兹偏振探测器，其具有根据本申请任一实施方式中的光电导天线。

通过本申请的不同方面的各个实施方式可以实现的有益效果为：

1、通过使用超透镜可以实现对太赫兹波的精确聚焦，并且同时大大减小了器件的体积和重量。

2、通过设置至少两个光导天线组，其中光导天线组彼此正交设置，可以实现快速的全偏振态的探测。

3、由于光导天线组空间上彼此分离地设置，并且用超透镜将相应偏振态的太赫兹波精确聚焦到对应的光导天线组，可以有效避免信号串扰问题，从而可以实现对复杂的偏振信息进行探测。

4、将光导天线组彼此分离地设置在同一平面中，显著地简化了天线的设计和加工，因此其成本低、结构稳定性高且易于量产。

5、超透镜的平面特性使得其可以与天线集成设计。通过使用半导体工艺，可以将天线与超透镜精确对准。

附图说明

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

图1示出本申请的光电导天线的一个实施方式中对应其中一种偏振光的结构示意图。

图2示出本申请的光电导天线的图1的实施方式中对应另一种偏振光的结构示意图。

图3示出本申请的光电导天线的另一实施方式中对应其中一种偏振光的结构示意图

图4示出本申请的光电导天线的图3的实施方式中对应另一种偏振光的结构示意图。

图5示出本申请中图3所示的实施方式的另一结构示意图。

图6示出本申请的光导天线组的一个实施方式的俯视图。

图7示出本申请的纳米结构单元的结构示意图。

图8示出本申请的纳米结构单元的另一结构示意图。

图9示出本申请的纳米结构的周期性排布的示意图。

图10示出基于三维交叉纳米线的光电导天线的结构示意图。

附图标记：

1、纳米结构；11、超透镜衬底；12、天线衬底；13、填充材料；2、光导天线组。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

当前，太赫兹偏振探测器通常包括硅半球透镜、基底和一组光电导天线。在工作中，硅半球透镜将太赫兹波聚焦到该组光电导天线的中心，其中光电导天线用于探测与天线平行方向偏振的太赫兹波。由此，可以实现对太赫兹波的一个偏振方向的分量的探测。在需要探测其他偏振方向的分量的情况下，需要将太赫兹波在入射到硅半球透镜前进行偏振调制，如加偏振片或者旋转光源偏振方向，或者旋转探测器方向。

为了实现对太赫兹波的全偏振态信息进行快速探测，现有技术中将两组光电导天线彼此正交设置，从而可以探测两个正交方向的太赫兹波的偏振信息。通过将探测的强度和相位信息通过斯托克斯参数进行计算，可以得到太赫兹的全偏振态信息。而通常的正交设置的两组光电导天线在太赫兹波本身同时具有两个方向的偏振信息的情况下，会存在信号串扰，因此，无法对复杂的偏振信息进行探测。

为了能够对复杂的偏振信息进行全偏振态的快速测试，现有技术还提出了具有基于三维交叉纳米线的光电导天线的太赫兹偏振探测器，如在图10中所示。然而，该太赫兹偏振探测器需要将纳米线组装成三维正交网格，同时纳米线必须悬空不接触，因此，这种太赫兹偏振探测器的加工难度大，成本高，稳定性差，难以大规模量产。

为了进一步改进光电导天线和具有其的太赫兹偏振探测器，发明人提出如下光电导天线。

参见图1，本申请提出了一种光电导天线，包括：

超透镜和天线模块，其中

超透镜包括超透镜衬底11和设置在超透镜衬底11上的周期性排布的纳米结构1；

天线模块包括至少两个光导天线组2，光导天线组2彼此正交设置，并且天线模块在太赫兹波的入射方向上设置在超透镜的下游；

超透镜配置为，通过设置纳米结构1的材料、几何参数和/或排布方式，使超透镜能够在太赫兹波入射的情况下，根据入射的太赫兹波的偏振态，将不同偏振态的太赫兹波聚焦到不同的光导天线组2上。

在上述光电导天线的实施方式中，通过使用超透镜可以对太赫兹波进行精确聚焦，并且同时大大减小了器件的体积和重量。此外，超透镜的平面特性使得其可以与光导天线组2集成设计。通过使用半导体工艺，可以实现光导天线组2与超透镜的精确对准。

在此需要说明的是：超透镜是一种亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制。其中需要说明的是，纳米结构1在此可理解为包含全介质能够导致相位突变的亚波长结构。

在超透镜中纳米结构1周期性排布在超透镜衬底11上，其中每个周期中的纳米结构1组成一个超结构单元，如图9所示。超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形、正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构1，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构1。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构1。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构1。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构1，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构。相比正四边形，正六边形的排布更加紧凑，纳米结构1的占空比更大，能更有效地利用空间，单位面积所需的纳米结构1数量更小。借此，既能够节约成本，也能够增大超透镜衬底11的有效折射率的调控范围，从而减少高折射率界面与低折射率界面产生的全反射损耗，提高斜入射太赫兹波的透过率。

应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构1的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的超结构单元由纳米结构1按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。

更进一步地，对于不同的偏振态，在此即x偏振和y偏振，超透镜衬底11上纳米结构1的相位分布满足如下公式：

其中x₁、y₁和x₂、y₂分别是所述光导天线组的位置坐标，f₁和f₂分别为超透镜对应x偏振和y偏振的焦距。

此外，为了对不同太赫兹波的不同偏振态进行不同的调制，即将不同太赫兹波的偏振态的分量分别聚焦到不同位置上，超透镜的纳米结构1为各向异性结构，即为偏振相关的结构，其能够对入射的波施加一个相位变化。例如，纳米结构1可以是矩形柱体，如图7所示，矩形柱体具有不同的长度、宽度和高度，从而可针对x偏振光和y偏振光实现不同的相位变化。此外，如图8所示，纳米结构1也可以为椭圆形柱。同样可以考虑其他的偏振相关的柱形，例如不对称的十字柱、正交矩形柱中的任一或其任意的组合。

根据本申请的实施方式，纳米结构1的材料包括硅、砷化镓、磷化铟、铟镓砷(InGaAs)、蓝宝石、石英、氧化镁或氮化硅等对太赫兹波高透过率的材料。在一些可选的实施方式中，纳米结构1与超透镜衬底11的材质相同，由此可以减少超透镜的加工工艺的数量，其中可以在超透镜衬底11的表面直接用半导体工艺生长与超透镜衬底11材质相同的纳米结构1，也可以是在超透镜衬底11的表面直接进行刻蚀，刻蚀所得的负结构或刻蚀后保留的结构均可以作为本申请实施例提供的纳米结构1。在其中一个实施例中，纳米结构1与超透镜衬底11的材料也可以不同。对此，可以直接通过半导体工艺生长与超透镜衬底11材质不同的纳米结构层材料，并对其进行光刻以得到纳米结构1。

在一些可选的实施例中，纳米结构1之间还填充有除空气外其他对太赫兹波波段透明的材料。由此，可以对纳米结构1提供保护，从而增强整个超透镜的结构强度。纳米结构1之间填充材料13的折射率与纳米结构1折射率的差值的绝对值大于或等于0.5。

根据本申请的实施方式，纳米结构1的特征尺寸大于或等于0.01λ_c，且小于或等于0.9λ_c；λ_c为太赫兹脉冲源发出的太赫兹波的中心波长。示例性地，纳米结构1的直径大于或等于10微米，小于或等于65微米。可选地，纳米结构1的特征尺寸大于或等于10微米，且小于或等于65微米。可选地，纳米结构1的高度大于或等于0.2λ_c，且小于或等于5λ_c；λ_c为太赫兹脉冲源发出的太赫兹的中心波长。

在本申请的实施方式中，天线模块可以包括两个彼此正交设置的光导天线组2，其中光导天线组2分别包括电极。如图6所示，在一个具体的实施方式中，两个光导天线组2优选彼此分离地设置在一个平面中，即光导天线组2空间上不存在任何重叠、相交、接触。通过这样设置的光导天线组2，可以实现快速的全偏振态的探测。此外，光导天线组2的这样的布置结合用超透镜将相应偏振态的太赫兹波精确聚焦到对应的光导天线组2，可以有效避免信号串扰问题，从而可以实现对复杂的偏振信息的探测，可以有效地避免不同偏振态的太赫兹信号的串扰。此外，与上述基于三维交叉纳米线的光电导天线相比，本申请的光导天线组2显著地简化了天线的设计和加工，因此其成本低，结构稳定性高且易于量产。

或者，在其中一个实施方式中，天线模块包括多于两个的光导天线组2，其中光导天线组2呈阵列式地正交排布，例如多个光导天线组2分为两组，两组的朝向分别与正交方向对应，每组中的光导天线组2均呈阵列式排布，由此能够适用于光斑较大的太赫兹波。

在本申请的实施方式中，如图6所示，光导天线组2的电极也为锥型结构。但是，其也可以是偶极子结构、螺旋形结构等。

需要说明的是，图1至图4中的所展示的两个光导天线组2的尺寸关系并非实际的尺寸关系，在实际生产加工后，不同排布方式的光导天线组2所呈现的投影尺寸不同。

以下，以具体的实施例说明本申请的光电导天线。

实施例1

如图1和2所示，光电导天线包括超透镜和天线模块，其中超透镜包括超透镜衬底11和设置在超透镜衬底11上的周期性排布的纳米结构1，并且超透镜为偏振复用的超透镜，其在太赫兹波段工作并且用于将x偏振和y偏振的太赫兹波在空间分离，聚焦到不同的位置。此外，天线模块包括两个光导天线组2，光导天线组2彼此正交设置，并且天线模块在太赫兹波的入射方向上设置在超透镜的下游。图1和图2分别示出光电导天线对x偏振和y偏振的太赫兹波的探测，其中光导天线组2在此精确地设置在超透镜的x偏振和y偏振的焦点处，具体地，超透镜将x偏振态的太赫兹波聚焦在图1中上方的光导天线组2上，并且将y偏振态的太赫兹波聚焦在图2中下方的光导天线组2上，以实现对相应偏振态的太赫兹波的探测。

超透镜衬底11的材料优选在太赫兹波段辐射效率较高的材料。例如，超透镜衬底11的材料可以是砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、铟镓砷(InGaAs)、硅、蓝宝石(Al₂O₃)、石英(SiO₂)、氧化镁(MgO)等材料中的任一种。优选地，超透镜衬底11选用GaAs或InP可以提高本身性能，并且超透镜衬底11的材料还可以是甲基戊烯聚合物(TPX)、聚乙烯(PE)或聚四氟乙烯(PTFE)等对太赫兹波高透过率的有机材料。例如，超透镜衬底11可选地由对太赫兹波的透过率大于或等于50％的材料制备。超透镜衬底11的材料对太赫兹波的透过率与太赫兹波的波长有关。例如，TPX、PE和PTFE对处于200微米至1000微米波段中的太赫兹波的透过率均达到80％以上。

在该实施例中，光导天线组2的电极可以通过半导体工艺直接加工在超透镜衬底11的背离纳米结构1的一侧上，借此，由于半导体工艺的使用可以提高提供高精度的光导天线组2电极与超透镜焦点的对准，并且可以统一借助半导体工艺实现简单且大批量的生产。

实施例2

图3和4示出根据本申请的光电导天线的另一实施方式。该实施例与实施例1的区别主要在于，光导天线组2本身设有天线衬底12。图3和4分别示出光电导天线对x偏振和y偏振的太赫兹波的探测，其中光导天线组2在此精确地设置在超透镜的x偏振和y偏振的焦点处，具体地，将x偏振态的太赫兹波聚焦在图3中上方的光导天线组2上，并且将y偏振态的太赫兹波聚焦在图4中下方的光导天线组2上，以实现对相应偏振态的太赫兹波的探测。

在此，可选地，超透镜的纳米结构1可以设置在超透镜衬底11的朝向天线衬底12的一侧上，由此在封装后，纳米结构1设置在封装结构的内部，从而可以对纳米结构1提供有效的保护。

还可行的是：超透镜衬底11的两侧均设有纳米结构1，使得入射的太赫兹波能够经过两次调制，从而增加了超透镜衬底的设计自由度，降低了设计难度。

其中，可选地，超透镜两侧的纳米结构1分别对入射至超透镜的太赫兹波进行调制，从而提高对太赫兹波的调制能力。

可选地，超透镜两侧纳米结构1分别使用不同的材料，例如纳米结构1分别使用适用于不同波段的材料，那么超透镜便能够分别对相应的两个波段(也即工作带宽)的波进行调节，从而起到拓宽光学仪器的工作带宽的作用。

可选地，超透镜两侧纳米结构1具有不同的相位分布，能够将不同波长的波分别会聚至同一位置上，从而实现消色差的功能。

替选地，纳米结构1也可以设置在超透镜衬底11的背离天线衬底12的一侧上。在此，可以对纳米结构1填充上述对太赫兹波透明的材料，从而对纳米结构1提供保护。

在此，光导天线组2可以设置在天线衬底12背离超透镜的一侧，或者如图5所示，光导天线组2设置在天线衬底12朝向超透镜的一侧。其中天线衬底12能够起到支撑光导天线组2的作用，并且天线衬底12和超透镜衬底11具有一定的间距，该间距满足太赫兹波通过超透镜能够会聚至光导天线组上。

天线衬底12可以选自根据实施例1的针对超透镜衬底11描述的材料。对于超透镜的超透镜衬底11的材料可以选自：高阻硅、砷化镓、磷化铟、蓝宝石、石英玻璃、氧化镁、聚酰亚胺、SU8、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、苯并环丁烯(BCB)。对于超透镜衬底11的材料，同样可以考虑对于太赫兹波段透射率高损耗小的材料。

在超透镜衬底11和天线衬底12彼此分离设置的情况下，超透镜衬底11和天线衬底12优选地通过对准后晶圆级封装结合在一起，由此可以确保高的对准精度。

此外，超透镜衬底11和天线衬底12也可以直接彼此接合，例如彼此粘贴，并且光路上满足，入射至超透镜的太赫兹波能够会聚至光导天线组上。

在本实用新型的另一方面中，提供一种设有上述光电导天线的太赫兹偏振探测器。因此，根据上述光电导天线所解释和说明的技术效果和优点，同样地也可以转用于本申请的太赫兹偏振探测器，并且反之亦然。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种光电导天线，所述光电导天线在太赫兹波段工作，其特征在于，包括：

超透镜和天线模块，其中

所述超透镜包括超透镜衬底(11)和设置在超透镜衬底(11)上的周期性排布的纳米结构(1)，

所述天线模块包括至少两个光导天线组(2)，所述光导天线组(2)彼此正交设置，并且所述天线模块在所述太赫兹波的入射方向上设置在所述超透镜的下游，

所述超透镜配置为，在太赫兹波入射的情况下，通过设置所述纳米结构(1)的材料、几何参数和/或排布，根据入射的太赫兹波的偏振态，将不同偏振态的太赫兹波聚焦到不同的光导天线组(2)上。

2.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，所述光导天线组(2)彼此分离地设置在同一平面中。

3.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，

所述光导天线组(2)包括电极，所述电极能够构成为锥型结构、偶极子结构或螺旋形结构。

4.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，对于x偏振和y偏振，所述超透镜的纳米结构的相位分布满足：

其中x₁、y₁和x₂、y₂分别是所述光导天线组(2)的位置坐标，f₁和f₂分别为所述超透镜对应所述x偏振和所述y偏振的焦距。

5.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，所述纳米结构(1)包括各向异性结构。

6.根据权利要求5所述的光电导天线，其特征在于，所述各向异性结构包括矩形柱、椭圆柱、不对称的十字柱、正交矩形柱中的任一或其任意的组合。

7.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，所述天线模块的所述光导天线组(2)设置在所述超透镜衬底(11)的背离所述纳米结构(1)的一侧上。

8.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，所述天线模块还包括用于承载所述光导天线组(2)的天线衬底(12)，所述光导天线组(2)设置在所述天线衬底(12)的背离所述超透镜的一侧上。

9.根据权利要求1所述的光电导天线，其特征在于，所述天线模块还包括用于承载所述光导天线组(2)的天线衬底(12)，所述光导天线组(2)设置在所述天线衬底(12)的朝向所述超透镜的一侧上。

10.根据权利要求8或9所述的光电导天线，其特征在于，所述纳米结构(1)设置在所述超透镜衬底(11)的朝向或背离所述天线衬底(12)的一侧上。

11.根据权利要求8或9所述的光电导天线，其特征在于，所述天线模块和所述超透镜通过晶圆级封装结合。

12.一种太赫兹偏振探测器，其特征在于，包括根据权利要求1至11中任一项所述的光电导天线。

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