太赫茲時域頻譜儀用寬帶光導天線的研究*

王自成,謝文球,劉青倫,唐伯俊,李現霞

(1.中國科學院電子學研究所,北京 1000190;2.中國科學院大學,北京 100039)

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太赫茲時域頻譜儀用寬帶光導天線的研究*

王自成1*,謝文球1,2,劉青倫1,唐伯俊1,李現霞1

(1.中國科學院電子學研究所,北京 1000190;2.中國科學院大學,北京 100039)

摘要:采用大型電磁計算軟件CST對一種現有的偶極子型光電導天線的方向性進行仿真計算。結果表明,這種偶極子型光電導天線或最大輻射方向隨著頻率的變化而發生顯著變化,方向性比較差,造成其在應用于太赫茲時域頻譜儀時效率低下,且對環境存在電磁污染的問題。本文的研究方法可以用于研究新的光電導天線,從而改進太赫茲時域頻譜儀用光電導天線的性能。

關鍵詞:太赫茲;時域頻譜儀;偶極子型光電導天線;電磁場計算機模擬

太赫茲THz(Terahertz)波是頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波。近幾年來,隨著人們對太赫茲波的產生和探測技術研究的日漸深入,太赫茲波在物質特性分析[1-3]、成像[4]、探測[4-6]、遙感[7]和國防[8-9]上面的作用日益突顯出來,由此引起了一場世界范圍內的針對太赫茲波的研究熱潮。其中,太赫茲時域頻譜儀Terahertz TDS(Terahertz Time Domain Spectroscopy)就是一種具有廣闊應用前景的新型太赫茲應用設備,在美歐已經有上市產品,但目前國內還少有系統層面及關鍵技術層面的研究報道。

在太赫茲時域頻譜儀的應用研究方面,美國的Thomas W Crowe等利用太赫茲時域頻譜儀測量肉牛胸腺DNA的太赫茲頻譜,顯示出這種儀器在食品質量與安全檢測方面的應用潛力[10];臺灣國立師范大學的Liu H L和美國國家同步加速器光源Brookhaven國家實驗室的Carr G L等比較了裸露硅基片和覆蓋石墨納米薄膜的硅基片的太赫茲透射譜,臺灣地區的K.I.Lin等檢測了INP等材料的自發極化場所產生的太赫茲輻射[11],這些都顯示出該設備在材料檢測與研究方面的巨大應用前景;國內的劉囡和徐開俊等報道了將太赫茲時域光譜技術用于氨基酸類、糖類、嘌呤嘧啶類、蛋白質和肽類等物質的分析鑒別的應用情況[12],岳偉偉和王衛寧等也報導了將太赫茲時域光譜儀用于分析芳香族氨基酸的研究[13],這些報導展現了太赫茲時域光譜技術的誘人應用前景。

盡管太赫茲時域頻譜儀具有廣闊的應用空間,但國外上市產品十分昂貴,國內又尚無上市產品,這限制了許多本應開展的應用。因此,開展太赫茲時域頻譜儀相關理論與技術研究成為國內最終實現太赫茲時域頻譜儀的當務之急。本文就太赫茲時域頻譜儀用寬帶光導天線進行計算模擬,初步探索了設計太赫茲時域頻譜儀用寬帶光導電天線的計算機模擬方法。

1　太赫茲時域頻譜儀原理及寬帶光導天線的作用

太赫茲時域頻譜儀采用飛秒電磁脈沖照射待研究的材料或樣品,通過檢測從樣品上反射回來的電磁脈沖的反射譜或檢測透過樣品的透射譜來研究材料或樣品的性質。目前產生這種飛秒電磁脈沖的方法有許多,比如采用非線性光學晶體以把飛秒激光脈沖下變頻到太赫茲頻段的方法以及由激光脈沖驅動的光導天線產生太赫茲輻射的方法。前者需要兩臺激光器,成本十分昂貴。后者只需要一臺飛秒激光器,成本成倍下降。因此,在太赫茲時域頻譜儀中采用寬帶光導天線具有一定優勢。

在太赫茲時域頻譜儀中,光導天線既作為輻射太赫茲波的發射器,還擔負著接收來自樣品的太赫茲反射波或透射波的接收器功能。如果對天線的方向性沒有足夠的了解,因而沒有將天線最大波瓣方向對準樣品,那么照射到樣品上的太赫茲能量只有很少一部分,而其他能量都流向其他方向,不僅浪費了能量,還造成電磁污染。而太赫茲時域頻譜儀是需要與人頻繁接觸的高科技儀器,對可能造成人體傷害的電磁污染是不能容忍的。此外,在這種情況下,天線同樣不可能有效接收太赫茲波。尤其對于太赫茲時域頻譜儀用光導天線,要求其帶寬越寬越好(從1 THz～5 THz的寬度),而任何天線都可能存在最大輻射方向隨著頻率而改變的情況。因此,同使用天線的任何場合一樣,計算天線的方向性是光導天線設計的首要任務。

但是,目前報導過的光導天線一般都是簡單地在半導體基片上制作微帶雙線,基本上還屬于原理模型性質,很少對天線的方向性和寬帶性能進行計算[14]。這種光導天線無疑具有很寬的帶寬,但是在實際應用中,這種天線必須安裝在適當的支架等安裝結構之上。而作為天線,這種安裝結構必然影響其天線性能。此外,上述研究者沒有計算這種天線的方向性,因而未對如何有效使用這種天線提供必要技術信息。

為了充分了解光導電天線的方向性,本文嘗試采用大型電磁計算軟件CST對其進行仿真計算,下面給出相應的結果。

2　偶極子型光電導天線的模擬

文獻[15]制作并測試了一種偶極子型光電導天線。該天線的結構如圖1所示,由制造在沉積著硅的藍寶石基片SOS(Silicon-On-Sapphire Substrate)之上的共面光電導偶極子和共面微帶饋線組成。基片厚度250 μm,所沉積的外延硅取<100>晶格方向,厚度0.6 μm。在該文獻中,偶極子的橫向尺寸分別為200 μm、100 μm和50 μm 3種。對于50 μm的偶極子,微帶饋線的之間的間距及其各自的寬度為20 μm;對于其他偶極子,微帶饋線的之間的間距及其各自的寬度為10 μm。本文采用上述第1種偶極子尺寸參數,建立CST的計算模型,如圖1(b)所示。

圖1　偶極子型光電導天線及其CST模擬模型

圖2　偶極子型光電導天線的CST模擬模型中的電流激勵信號

在實際的偶極子型光導電天線中,偶極子兩端通過微帶饋線加有一個直流電壓。當作為偶極子的光導電材料受到亞皮秒或飛秒激光的照射時,偶極子在直流電壓下瞬間導電。當激光脈沖過后,偶極子內的光電導逐漸消失。由此形成大致如圖2所示的導電電流,正是該導電電流激勵了太赫茲波輻射。遺憾的是,目前CST還沒有光導電激勵模型,因此在上述模擬計算中,偶極子用設置在其中心位置的電流端口模擬。電流激勵信號設置為如圖2所示的雙指數型信號,即電流先以隨時間的正指數形式快速上升,達到最大值后,隨即以時間的負指數形式下降。

此外,將上述模型的6個方向均設為Open(add space)邊界。用CST的T模塊對上述模型進行計算,獲得的關于偶極子型光電導天線的方向性的計算結果示于圖3。其中,圖3(a)示出的是天線遠場電場幅度在200 GHz時的三維方位圖,圖3(b)～圖3(f)是天線遠場電場幅度在y=0平面的二維方位圖,分別對應于200 GHz、400 GHz、600 GHz、800 GHz和1 000 GHz。

圖3　一種偶極子型光電導天線的遠場電場幅度方位圖

圖4　基片安裝于導電基座上的偶極子型光電導天線的遠場電場幅度方位圖

從圖3(a)可以看出,在200 GHz時,天線的最大輻射方向是z方向和-z方向(即是與藍寶石基片相垂直的方向),且2個方向的幅度差不多。也就是說,如果將z方向對準樣品,那么從相反方向遺失的電磁能量也具有差不多相同的水平。此外,圖3(b)～圖3(f)可以看出,隨著頻率的增加,波瓣數量增加。且天線的最大輻射方向隨著頻率的變化發生顯著變化,未能在全頻段內大致向同一個方向輻射。這些結果同本文在上面作出的預測一致,該天線的方向性較差,在應用于太赫茲時域頻譜儀時具有上面提到的缺點。

為了避免天線向-z方向輻射太赫茲波,更主要的是為了模擬將基座置于導電底板上或將偶極子光導天線安裝在導電基座上后的方向性,將上述模型中的-z方向的邊界條件設置為Et=0。重新計算后,獲得的結果如圖4所示。其中,圖4(a)示出的是天線遠場電場幅度在200 GHz時的方位圖,圖4(b)～圖4(f)是天線遠場電場幅度在y=0平面的二維方位圖,分別對應于200 GHz、400 GHz、600 GHz、800 GHz和1 000 GHz。從圖4可以看出,將偶極子光導天線安裝在導電基座上后,確實避免了太赫茲電磁能量向-z方向的半空間的輻射。但是,在z方向的半空間內,天線表現出的方向性很差,僅有幾個dB。此外,天線的最大波瓣方向并非與z方向重合,而是更接近x方向。可以定性地認為,這是因為光導電偶極子在藍寶石基片上處于靠近x方向的一端。

3　結論

采用大型電磁計算軟件CST對一種偶極子型光電導天線進行仿真計算。結果表明,在不考慮任何安裝條件,即將這種偶極子型光電導天線置于完全開放空間的情況下,天線的最大輻射方向是z方向和-z方向。且隨著頻率的增加,不僅波瓣數量增加,天線的最大輻射方向隨著頻率的變化發生顯著變化,未能在全頻段內大致向同一個方向輻射。而在將該偶極子型光電導天線安裝在無窮大導電平面上的條件下,可以避免太赫茲電磁能量向-z方向的半空間的輻射,但是,在z方向的半空間內,天線表現出的方向性比較差,僅有幾個dB。這種缺點使其在應用于太赫茲時域頻譜儀時效率低下,且對環境存在電磁污染的問題。本文的工作表明可以采用CST對偶極子型光導電天線方向性進行計算,其方法可以用來對新的光電導天性進行模擬計算和研究。

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王自成(1966-),1986年畢業于云南大學固體物理專業,1989年獲云南大學固體物理專業理學碩士學位,1998年獲北京真空電子技術研究所工學博士學位,1999年始在中國科學院電子學研究所工作至今。完成過多項總裝及國家自然科學基金等項目,已發表論文20余篇,獲得國家發明專利多項。現從事毫米波行波管、MMPM、返波管、新型短毫米波及THz真空器件等方面的研究,wzich_cn@sina.com。

AnStudyonPhotoconductingDipoleAntennasforTDS*

WANGZicheng1*,XIEWenqiu1,2,LIUQinglun1,TANGBojun1,LIXianxia1

(1.Institute of Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100090,China;2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100039,China)

Abstract:A photoconducting dipole antennas reported by antecedent authors is calculated by CST for its directivity,showing the direction of the main lobe changes obviously v.s.frequency.As a result,the antennas has very low efficiency and has the risk of polluting the environment when it is used in terahertz time domain spectroscopy(TDS).The method proposed in the paper may be used to investigate new photoconducting dipole antennas for TDS.

Key words:Terahertz;terahertz time domain spectroscopy;photoconducting dipole antennas

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.014

中圖分類號:TH841

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0863-04

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-11-28

項目來源:國家自然科學基金項目(61172016)