基于波导型光电探测器的阵列太赫兹源基础研究

THz technique has many potential applications in both scientific research fields and daily lives. However, the lack of high performance THz source hinders the wide spread of the practical use of the technique. To alleviate the situation, a kind of continuous wave(CW) THz antenna array based on uni-traveling carrier photodetectors(UTC-PD) will be studied. UTC-PD is a photomixer with high efficiency. Coherent combination of THz radiation from different elements of the array will further increase the output power greatly. To fabricate the antenna array, a scheme that combines a multi-mode inference (MMI) coupler and edge coupled waveguide UTC-PDs is proposed. This avoids the unequal feeds of pump light among different array elements, which deteriorates the performance of an antenna array greatly. The following aspects will be focused in the study: The fabrication of UTC-PD with high speed and high saturation current; The fabrication of MMI coupler with low transmission loss and equal power at each output waveguide; The monolithic integration of UTC-PDs with MMI; The design and fabrication of high performance THz antenna and antenna array. The use of UTC-PD as element photomixer and the monolithic fabrication technique make the antenna array fabricated in this project a low cost, highly efficient, extremely compact, room temperature working high power CW THz source.

THz技术在科学研究领域和日常生活领域都具有广泛的应用前景，然而，高性能THz源的缺乏严重的限制了THz技术的实际应用。有鉴于此，本课题研究一种基于InP基波导型单行载流子探测器（UTC-PD）的连续波THz天线阵列。UTC-PD是一种高效率的THz混频器件，阵列单元辐射的相干叠加又可以进一步显著增强THz辐射功率。 基于课题申请人的一项发明，本课题采用波导型UTC-PD结合多模干涉耦合器（MMI）的阵列天线制作方案，克服了阵列单元受光不均匀的缺点，从而可以明显提高THz天线阵列的性能。课题的主要研究内容包括：高速、高饱和电流UTC-PD的研制；低损耗、功率分配均匀MMI的研制；MMI与UTC-PD阵列的单片集成技术研究；高性能THz天线及其阵列的研制。UTC-PD混频器件本身的特点结合单片集成的制作技术使所研制的天线阵列成为一种同时具有低成本、高效率、结构紧凑、室温工作等优点的连续波THz源。

THz技术在科学研究领域和日常生活领域都具有广泛的应用前景，然而，高性能THz源的缺乏严重的限制了THz技术的实际应用。有鉴于此，本项目研究一种基于InP基波导型单行载流子探测器（UTC-PD）的连续波THz天线及其阵列。UTC-PD是一种高效率的THz混频器件，阵列单元辐射的叠加又可以进一步显著增强THz辐射功率。本项目研制的THz源器件同时具有低成本、高效率、结构紧凑、室温工作等优点。本项目主要研究内容包括：高速、高饱和电流UTC-PD的研制；低损耗、功率分配均匀MMI的研制；MMI与UTC-PD阵列的单片集成技术研究；THz天线及其阵列的研制。.. 通过项目的实施研制出了集成单模波导的InGaAs/InP UTC-PD。有源区面积为4×15μm2的UTC-PD在零偏压下的响应带宽可达21.5 GHz，这在已报道的同类型中器件中是最好结果。利用所研制的器件项目组首次实验验证能够采用波导型InGaAs/InP UTC-PDs 在零偏压下传输32 Gb/s数据。研究了在GSG电极下制作聚酰亚胺对器件高频响应性能的改善作用。研制的制作有聚酰亚胺层的3×10μm2 UTC-PD在-1V偏压下响应带超过50 GHz。在国内首先研制出基于UTC-PD的THz天线辐射源。集成的蝶形天线的吸收区面积为4×15μm2的UTC-PD输出的太赫兹频率最高可达1000 GHz。集成的谐振天线的有源区面积4×15μm2的UTC-PD在510 GHz处最大功率为21μW。研制出了高均衡度MMI分光器，以此为基础研制出了基于高速PD的1×4单片集成THz天线阵列芯片。.. 项目执行期间发表SCI论文17篇，学术会议论文4篇，其中会议邀请报告1次，申报发明专利5项，其中2项获得授权。