在小信号时,光混频器输出的太赫兹辐射功率P THz与天线阻抗R A成正比。在GaAs衬底材料上的平面天线阻抗为100Ω,而LTG GaAs光电导材料的阻抗在适当的光功率辐照下的值在10 KΩ以上。光电导天线是太赫兹混频器的关键组成部分。光混频器的主要限制是,在太赫兹辐射周期的一小部分内光载流子对器件接触电极的低效漂移将导致高速光电导体的量子效率较低。由于辐射阻抗相对较低,对数螺旋天线具有低的输出功率。目前报道有多种天线的几何形状,如图6-2所示,最常见的平面形式为偶极子、蝴蝶结、对数螺旋线和对数周期等形状。相比之下,喇叭天线是一个带有喇叭波导的三维结构,提供从源到自由空间的渐进式阻抗变化[4]。
图6-2 不同形式的天线设计显微图片[4]
为了解决传统光混频器件天线结构存在的阻抗不匹配、Q腔参数不高、频率无法调谐等问题,2005年,加拿大滑铁卢大学的Daryoosh Saeedkia等[5]提出了将天线结构和光混频区域集成,也就是通过优化设计光混频区域的尺寸,将光混频区域直接视为一个矩形微带天线从而辐射太赫兹波,设计原理如图6-3所示。使用这种设计能够消除传统光混频器天线结构存在的阻抗不匹配问题,并能在一定范围内实现频率调谐。
研究人员提出了共振天线结构,如偶极子天线等。目前仍然使用的偶极子天线结构如平行微带线和面对面偶极子天线作为基本的发射元件。2014年,西班牙马德里卡洛斯三世大学的Javier Montero-de-Paz等[6]设计了蛇形槽偶极天线,如图6-4所示。蛇形槽偶极天线可以提高匹配和辐射效率,以此来提高太赫兹辐射功率。在1.05 THz时,相对于传统的对数周期天线,实现了6 dB的输出功率的提高。
图6-3 集成天线设计原理图[5]
图6-4 蛇形槽偶极天线结构(a)和对数周期天线(b)[6]
等离子体纳米结构天线可以有效地提高光电导产生太赫兹辐射的量子效率,等离激元接触电极具有将入射泵浦光限制在接近电极附近区域的能力。2014年,美国密歇根大学的Christopher W.Berry等[7]实验展示了从光混频器辐射准连续波太赫兹辐射,能够增强一个数量级的辐射功率,该光混频器使用等离子体接触电极,实验装置如图6-5所示。当使用1 550 nm的光泵浦时,与没有等离子体接触电极的类似传统光混频器相比,带有等离子体接触电极的光混频器的准连续波辐射功率,在0.25~2.5 THz频率范围内有一个数量级的增强。这一显著的效率提高,是由于等离子体接触电极的独特性能缩短了光载流子到器件接触电极的平均传输路径,增强了驱动太赫兹的超快光电流。
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图6-5 等离子体光混频器和传统光混频器的示意图[7]
由于等离激元接触电极具有将入射光泵浦束限制在接近电极附近的独特能力,已经证明等离子体纳米结构天线在提高光电导太赫兹光电子的量子效率方面非常有效。2015年,密歇根大学的S.H.Yang等[8]使用基于GaAs的等离子体光混频器在1 THz处获得较高的太赫兹输出功率(17μW),调谐范围能够达到2 THz以上,如图6-6所示。
图6-6 等离子体光混频器的SEM图[8]
尽管光混频器的性能仍然有限制,但通过使用光混频器阵列和三维等离子体激元接触电极可以获得更高的太赫兹功率。2014年,Christopher W.Berry等[9]使用等离子体光电导发射器阵列和对数螺旋天线产生高功率脉冲太赫兹辐射。实验装置如图6-7所示,一个3×3对数螺旋天线等离子体光电导太赫兹发射器阵列被加工在低温生长的GaAs衬底上,脉冲太赫兹辐射记录的最高功率为1.9 mW@0.1~2 THz,泵浦功率为320 mW。
图6-7 等离子体光电导太赫兹发射器阵列[9]
同年,S.H.Yang等[10]展示了一种新型的光混频器,如图6-8所示。将三维等离子体接触电极嵌入光子吸收衬底,可以获得105μW的太赫兹辐射功率,光泵浦功率为1.4 mW,最高光-太赫兹转换效率为7.5%。三维结构能够在光子吸收衬底深处产生光载流子。
图6-8 三维结构光混频器[10]
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