一种太赫兹电磁波电光测量装置及方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域。更具体地，涉及一种太赫兹电磁波电光测量装置及方法。

背景技术

目前，太赫兹探测是太赫兹相关研究领域的基础，是太赫兹技术得以广泛应用的关键技术，目前，基于线性电光效应的电光采样技术已被证明是有力检测脉冲太赫兹波辐射的方法，并得到了众多国家计量机构的广泛应用。

通常，传统电光采样技术将超快飞秒采样光与太赫兹电磁波同时会聚到电光晶体上，太赫兹电磁波的瞬间电场诱导电光晶体折射率发生各向异性的改变，从而导致采样光束的偏振态从线偏振变化为椭圆偏振，通过平衡光电探测器探测采样光的椭偏度，从而实现对太赫兹电磁波电场的测量。然而，受限于电光晶体的电光系数小以及晶体内部传输采光群速度与太赫兹波速度的相速失配，基于偏振调制的传统电光采样技术在探测脉冲太赫兹波的时候，不仅测试带宽窄，而且对小信号的测量灵敏度与信噪比也较低。因此，急需一种带宽大、灵敏度高和信噪比强的太赫兹电磁波电光测量装置

基于切伦科夫辐射原理的外差电光采样技术通过将太赫兹电磁波以切伦科夫角入射至电光晶体，与在晶体表面传播的采样光进行电光作用，并通过探测电光晶体中采样光强度调制前后的光强变化，实现太赫兹电磁波电场的测量。该技术无需任何偏振光学器件，相比基于偏振调制的传统电光采样技术，光学系统大大简化，并且该技术不受限于晶体材料本身，可与电光晶体作用实现，测量带宽大，灵敏度高，信噪比强，对于研究太赫兹精密探测技术及应用具有较大的参考价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹电磁波电光测量装置及方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供一种太赫兹电磁波电光测量装置，包括：

薄膜铌酸锂衬底、介质棒波导和标准接口转换波导，

所述标准接口转换波导，用于接收待测的太赫兹电磁波，并将其馈入所述介质棒波导；

所述介质棒波导，用于将馈入的太赫兹电磁波以预设第一夹角传输到所述薄膜铌酸锂衬底上；

所述薄膜铌酸锂衬底，用于将入射的采样激光脉冲与入射的太赫兹电磁波相互作用后输出携带太赫兹电磁波的激光脉冲至光电探测器。

可选地，所述第一角度为切伦科夫夹角。

可选地，所述介质棒波导包括依次连接的耦合尖端、传输段和转换尖端；

转换尖端，用于接收太赫兹电磁波，传输到传输段；

传输段，用于实现太赫兹电磁波传输方向的变换，将太赫兹电磁波传输到耦合尖端；

耦合尖端，用于将接收到的待测的太赫兹电磁波耦合至薄膜铌酸锂衬底。

可选地，所述介质棒波导的材质包括硅或GaAs半导体。

可选地，所述薄膜铌酸锂衬底包括支撑层、铌酸锂平板层和铌酸锂脊波导层，

其中，所述薄膜铌酸锂衬底的铌酸锂晶体的光轴方向为激光入射端口面的长边方向；所述支撑层的材料与介质棒波导材料一致，所述铌酸锂平板层和铌酸锂脊波导层共同组成薄膜铌酸锂片上光波导结构。

可选地，所述薄膜铌酸锂片上光波导的横截面为脊形结构。

可选地，所述耦合尖端包括第一段和第二段，其中，所述第一段的底面与所述薄膜铌酸锂衬底的支撑层连接，所述第二段与传输段连接，所述第一段和第二段之间的夹角为切伦科夫角的补角。

可选地，所述转换尖端的粗端与传输段底端相连，连接处表面覆有定位条；所述转换尖端的细端宽度线性渐变；所述转换尖端的细端插入所述标准接口波导中的贯通腔内，标准接口波导的锁定腔与介质棒波导的锁定块匹配锁定。

可选地，所述装置配置为入射采样光偏振方向与所述薄膜铌酸锂衬底的铌酸锂晶体光轴呈预设第一夹角，且入射太赫兹波偏振方向与所述薄膜铌酸锂衬底的铌酸锂晶体的光轴平行。

本发明第二方面提供一种太赫兹电磁波电光测量方法，包括：

标准接口转换波导接收待测的太赫兹电磁波，并将其馈入介质棒波导；

所述介质棒波导将馈入的太赫兹电磁波以预设第一夹角传输到薄膜铌酸锂衬底上；

所述薄膜铌酸锂衬底将入射的采样激光脉冲与入射的太赫兹电磁波相互作用后输出携带太赫兹电磁波的激光脉冲至光电探测器。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的基于切伦科夫辐射原理的太赫兹电磁波电光测量装置，相比基于偏振调制的传统电光采样技术，光学系统大大简化，并且该技术不受限于晶体材料本身，可与电光晶体作用实现，测量带宽大，灵敏度高，信噪比强，对于研究太赫兹精密探测技术及应用具有较大的参考价值。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明中的太赫兹电磁波电光测量装置结构示意图；

图2为本发明中的太赫兹-光波相互作用结构示意图；

图3为本发明中的硅基介质波导结构示意图；

图4为本发明中的薄膜铌酸锂片上光波导剖面结构示意图；

图5为本发明中的太赫兹电磁波电光采样探头结构示意图；

图6为本发明中的薄膜铌酸锂片上光波导结构示意图；

图7为本发明中的太赫兹电磁波电光测量装置制备方法流程图；

图8为本发明实施例所示一种基于外差电光采样的脉冲太赫兹信号测量系统示意图；

图9为本发明实施例所示一种基于平衡外差电光采样的脉冲太赫兹信号测量系统示意图。

1、支撑层；2、铌酸锂平板层；3、铌酸锂脊波导层；4、耦合尖端；5、传输段；6、定位条；7、锁定块；8、转换尖端；9、标准接口转换波导；10、贯通腔；11、锁定腔；12、重频锁定的飞秒激光；13、分束器；14、太赫兹信号产生器；15、标准接口转换波导；16、电光采样探头；17、光电探测器；18、数据采集与处理模块；19、边缘透镜；20、平衡光电探测器；21、参考时钟；100、薄膜铌酸锂衬底；200、介质棒波导；300、标准接口转换波导。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图1-9对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种太赫兹电磁波电光测量装置，包括：

标准接口转换波导300，用于接收待测的太赫兹电磁波，并将其馈入介质棒波导200；

介质棒波导200，用于将馈入的太赫兹电磁波以第一角度传输到薄膜铌酸锂衬底100上；

薄膜铌酸锂衬底100，用于将入射的采样激光脉冲与入射的太赫兹电磁波相互作用后输出携带太赫兹电磁波的激光脉冲至光电探测器。

具体的，太赫兹电磁波通过标准接口转换波导300馈入介质棒波导200上，经传输到达薄膜铌酸锂衬底100；采样激光脉冲通过端面耦合高效率入射至薄膜铌酸锂衬底100片上光波导，与切伦科夫角度入射的太赫兹电磁波相互作用后再低损耗输出携带太赫兹电磁波的激光脉冲至光电探测器。如图2所示，太赫兹-光波相互作用示意图。

在一个具体实施例中，如图2所示，所述介质棒波导200包括：耦合尖端4、传输段5、定位条6、锁定块7和转换尖端8，

转换尖端8，用于接收太赫兹电磁波，传输到传输段5；

锁定块7，用于将标准接口转换波导300固定在转换尖端8；

定位条6，用于确定介质棒波导200与标准接口转换波导300之间固定的相对位置；

传输段5，用于实现太赫兹电磁波传输方向的变换，将太赫兹电磁波传输到转换尖端8；

耦合尖端4，用于将接收到的待测的太赫兹电磁波耦合至薄膜铌酸锂衬底100；

在一个具体实施例中，所述耦合尖端4包括第一段和第二段，其中，所述第一段的底面与所述支撑层1连接，所述第二段与传输段5连接，所述第一段和第二段之间的夹角为切伦科夫角的补角。其中，耦合尖端4包括与薄膜铌酸锂衬底平行的第一段以及与传输段相连的第二段，所以横截面为E-平面弯曲结构；传输段5横截面为长方形结构，锁定块7横截面为T-型结构，转换尖端8靠近标准接口转换波导的横截面为锥形。

所述转换尖端8的一侧粗端与传输段5底端相连，连接处表面覆有定位条6；所述转换尖端8的一侧细端宽度线性渐变，细端下侧与锁定块相连；所述太赫兹电磁波电光测量装置工作时将其转换尖端8的一侧细端插入标准接口波导300中的贯通腔10内，标准接口波导300的锁定腔11与锁定块7匹配锁定。

具体的，所述太赫兹电磁波电光测量装置通过介质棒波导200上定位条6和锁定块7与标准接口转换波导300实现定位与锁定，具体用铜箔材料的定位条6压接在介质棒波导200上，标准接口波导卡300在定位条6上实现与介质棒波导之间的固定；通过将转换尖端8插入贯通腔11中实现太赫兹信号的传输；锁定块7在转换尖端8粗端中一段宽度不变的位置上。

在一个具体实施例中，如图3所示，所述薄膜铌酸锂衬底包括

支撑层1、铌酸锂平板层2和铌酸锂脊波导层3，其中支撑层1的材料与介质棒波导200材料一致，铌酸锂平板层2和铌酸锂脊波导层3共同组成薄膜铌酸锂片上光波导结构；所述薄膜铌酸锂片上光波导的横截面为脊形结构；铌酸锂晶体的光轴c轴沿激光入射端面的长边方向；如图3所示，所述铌酸锂脊波导层3靠近铌酸锂平板层2的面为铌酸锂脊波导层3的顶面，远离铌酸锂平板层2的面为铌酸锂脊波导层3的底面，铌酸锂脊波导层3的侧面为垂直纸面向里的面；所述激光入射端端口面为铌酸锂脊波导层3的侧面，并且其为一个矩形截面。采样激光脉冲的偏振方向与铌酸锂晶体光轴方向呈45°夹角，太赫兹电磁波波的偏振方向沿铌酸锂晶体光轴方向。

在一个具体实施例中，如图5所示，本发明还提供一种太赫兹电磁波电光采样探头，包括

介质棒波导200，用于将馈入的太赫兹电磁波以第一角度传输到薄膜铌酸锂衬底100上；

薄膜铌酸锂衬底100，用于将入射的采样激光脉冲与入射的太赫兹电磁波相互作用后输出。

在一个具体实施例中，所述介质棒波导200与薄膜铌酸锂衬底100上支撑层1优选在太赫兹频段范围内具有平坦折射率和低吸收的材料，例如高阻率硅或低温半绝缘GaAs；如图5所示，给出了材料为高阻率硅基时，基于切伦科夫辐射原理的太赫兹电磁波-光波相互作用示意图，可以看到，当太赫兹波在Si-LN界面处折射时，其在LN层中的传播角θ

sinθ

其中θ

由图2可以看到，太赫兹的波前以c/n

通过解析公式：

sinθ

可知，当θ

此外，在本发明所公开的一种太赫兹电磁波电光测量装置中，探测带宽范围与采样脉冲激光的宽度有关。由于太赫兹电磁波波前相对于光束倾斜，因此光脉冲的不同横向部分与太赫兹场的不同相位相互作用，这将在一定程度上较少总的电光效应。甚至，当光脉冲的相对侧面与相隔一个波长的太赫兹波阵面相互作用时，还可能出现零响应情况。因此，为了尽可能多的增大电光响应作用，可采用如图6俯视图所示的波导布局结构。

此外，本发明公开的一种基于切伦科夫辐射原理的太赫兹电磁波电光测量装置，受限于铌酸锂材料对太赫兹波的高吸收特性，其测试带宽上限取决于铌酸锂层厚度d

f

在一个具体实施例中，如图7所示，本发明还公开了一种太赫兹电磁波电光测量装置的制备方法，包括：

通过激光加工技术切割出含有切伦科夫角入射太赫兹波的介质棒波导200，采用干法刻蚀工艺对薄膜铌酸锂衬底100的铌酸锂层进行加工得到薄膜铌酸锂片上光波导，具体来说是一种脊型波导单模光波导；通过键合工艺使介质棒波导200的耦合尖端底面4与薄膜铌酸锂衬底100的支撑层1表面结合在一起。

根据理论计算和仿真设计得到满足切伦科夫角的硅基介质棒波导结构，并通过激光加工技术制备得到；随后结合测试系统带宽上限，理论计算和仿真得到宽频带薄膜铌酸锂片上光波导结构，并采样干法刻蚀半导体加工工艺制备得到；最后将硅基介质棒波导的耦合尖端底面与薄膜铌酸锂高阻率支撑硅层采用键合工艺连接在一起。

在一个具体实施例中，本发明所提供的一种太赫兹电磁波电光测量装置，可应用测量太赫兹电磁波波形参数，以下对其应用实现过程进行简单阐述：

如图8所示，一种基于外差电光采样的脉冲太赫兹信号测量系统，包括重频锁定的飞秒激光12、分束器13、太赫兹信号产生器14、太赫兹电磁波电光测量装置、光电探测器17、数据采集与处理模块18和参考时钟21；所述太赫兹电磁波电光测量装置包括标准接口转换波导15和电光采样探头16。

参考时钟21，用于为太赫兹信号产生器14、重频锁定的飞秒激光12和数据采集与处理模块18提供参考时钟信号。

太赫兹波链路中，太赫兹信号产生器14，用于提供太赫兹电磁波；

标准接口转换波导15，用于将太赫兹电磁波馈入电光采样探头16，电光采样探头16，用于将太赫兹电磁波以切伦科夫角度入射至其铌酸锂层；

采样脉冲激光链路，重频锁定的飞秒激光12，用于将激射的光束一分为二，分别为泵浦光和采样光；

泵浦光，用于激励太赫兹信号产生器14产生待测的太赫兹电磁波，

采样光通过透镜或者光纤耦合的方式高效率入射至薄膜铌酸锂衬底片上光波导结构中，在铌酸锂层中与切伦科夫角度入射的太赫兹电磁波相互作用后，输出到光电探测器17，

数据采集与处理模块18，用于对探测器17的输出的电信号进行采集，分析获得相关待测的太赫兹电磁波的信息。

如图9所示，一种基于平衡外差电光采样的脉冲太赫兹信号测量系统，包括重频锁定的飞秒激光12、分束器13、太赫兹信号产生器14、太赫兹电磁波电光测量装置、边缘透镜19、平衡光电探测器20、数据采集与处理模块18和参考时钟21；其中所述太赫兹电磁波电光测量装置包括标准接口转换波导15和电光采样探头16。

参考时钟21，用于为太赫兹信号产生器14、重频锁定的飞秒激光12和数据采集与处理模块18提供参考时钟信号。

太赫兹波链路中，太赫兹信号产生器14，用于提供太赫兹电磁波

标准接口转换波导15，用于将太赫兹电磁波馈入电光采样探头16，

电光采样探头16，用于将太赫兹电磁波以切伦科夫角度入射至其铌酸锂层；

采样脉冲激光链路，重频锁定的飞秒激光12，用于将激射的光束一分为二，分别为泵浦光和采样光；

泵浦光，用于激励太赫兹信号产生器14产生待测的太赫兹电磁波，

采样光通过透镜或者光纤耦合的方式高效率入射至薄膜铌酸锂衬底片上光波导结构中，在铌酸锂层中与切伦科夫角度入射的太赫兹电磁波相互作用后，低损耗的耦合接入边缘透镜19，

边缘透镜19，用于将采样光离为和频分量和差频分量的两束光，光离后入射至平衡光电探测器20；

数据采集与处理模块18，用于对平衡探测器20的输出的电信号进行采集，分析获得相关待测的太赫兹电磁波的信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。