一种太赫兹时域微分器

技术领域

本发明涉及太赫兹通信领域，具体涉及一种太赫兹时域微分器。

背景技术

太赫兹波广义上是指频率在0.1THz～10THz的电磁波，恰好位于电子学和光子学的过渡区，因此具有很多独特的性质。太赫兹通信因其能够在不同场景下实现创新而备受关注。与毫米波段通信相比，太赫兹波段能够支持更高的数据速率。与光通信相比，太赫兹通信系统在室外通信中对大气效应不敏感，在室内通信中比光频段更容易跟踪波束。仿照电子电路和光通信，发展太赫兹通信离不开例如瞬时积分器、时域微分器、希尔伯特变换器等基本模块。

太赫兹时域微分器是执行太赫兹信号数学运算的关键所在，在脉冲产生、脉冲整形、微分方程求解等方面有重要应用。现有的时域微分器一般存在以下几点问题，第一：无法应用在太赫兹波段；第二，微分功能的实现往往是依靠多个分立的光学元件的简易组装，缺乏集成度；第三，信号是靠自由空间耦合进行输入与输出，这样带来的损耗较大。回音壁模式谐振腔因其模式体积小和品质因数高的优点，在光学和光电领域已经得到了长足的发展，被广泛应用于探测器、传感器、光开关等。回音壁模式谐振腔具有调制太赫兹波的功能，可以对特定频率的太赫兹信号进行时域微分处理。将回音壁模式的微环谐振腔进行片上集成制备成波导型微分功能芯片，可以有效解决传统的微分器集成度低的缺点。并且，将芯片封装成为微分器模块后，易于其他太赫兹系统部件结合，从而搭建成传输损耗更低、耦合效率更高的太赫兹时域微分系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种太赫兹时域微分器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种太赫兹时域微分器，包括微分功能芯片和芯片封装盒，所述微分功能芯片包括回音壁模式微环波导、直波导、第一锥形耦合波导、第二锥形耦合波导和衬底，其中：

所述直波导位于回音壁模式微环波导的一侧，回音壁模式微环波导和直波导构成了单跑道型的回音壁模式微环谐振腔，对直波导传输的特定频率的太赫兹信号产生谐振并进行时域微分；所述第一、二锥形耦合波导位于直波导两端，分别作为太赫兹时域微分器的输入和输出端口；所述衬底用于集成制备回音壁模式微环波导、直波导和第一、二锥形耦合波导。

进一步的，所述微分功能芯片中的回音壁模式微环谐振腔的谐振频率根据公式f＝(mv)/(2πrn

进一步的，定义L是太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导的损耗系数，定义t为直波导和回音壁模式微环波导之间的耦合损耗，当t＝L时，回音壁模式微环谐振腔工作在临界耦合状态，具备时域微分的功能。

进一步的，所述直波导的宽度和回音壁模式微环波导的宽度相等，直波导的高度和回音壁模式微环波导的高度相等，衬底的厚度小于直波导的高度，第一、二锥形耦合波导的高度等于直波导的高度和衬底的厚度之和，第一、二锥形耦合波导在直波导的延伸方向左右对称。

进一步的，所述直波导和回音壁模式微环波导的距离d由公式d＝λ

进一步的，所述芯片封装盒采用上下腔体结构，上腔体为封盖，下腔体为载片盒，下腔体两边有金属矩形波导开口，开口向内延伸形成金属矩形波导通道并左右对称，封装时微分功能芯片放置在下腔体载片盒的中央，第一、二锥形耦合波导被插入到矩形波导通道中。

进一步的，所述芯片封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度大于太赫兹波信号的趋肤深度。

进一步的，第一、二锥形耦合波导(3，5)从俯视视角看为底边宽度和直波导宽度一致的等腰三角形，与底边相对的顶角角度由锥型波导长度决定，当直波导(2)的底边宽度确定时，锥形耦合波导的长度越长，角度越小。

进一步的，所述微分功能芯片通过微纳加工制备在衬底上，衬底材料为高阻硅、铌酸锂、二氧化硅或氮化镓。

进一步的，太赫兹信号通过金属矩形波导耦合到第一锥形耦合波导中，然后馈入回音壁模式微环，满足微分条件的太赫兹波会在微环波导中传输并被微分处理，最后经过耦合重新进入直波导，并通过第二锥形耦合波导输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)使用回音壁模式微环谐振腔作为微分功能芯片的核心，工作带宽更宽，微分能量效率更高；2)构成微分功能芯片的回音壁模式微环、直波导、锥型耦合波导等结构均在同一基片上，相比于靠传统光学分立器件组装来实现微分功能，片上集成设计可以减小微分器的体积，增加整体的集成度，提高回音壁模式微环的耦合效率；3)微分功能芯片被封装成为时域微分器，使用锥型耦合波导作为信号的输入与输出端口，可以有效的与其他具有标准接口的太赫兹组件如法兰、太赫兹源、太赫兹探测器相连接，并大大减小传输损耗。

附图说明

图1是太赫兹时域微分器示意图(微分功能芯片被放置在下腔体载片盒上)。

图2是太赫兹时域微的微分功能芯片的结构示意图。

图3是太赫兹时域微的微分功能芯片的尺寸示意图。

图4是太赫兹时域微分器的S参数结果图。

图5是太赫兹时域微分器在临界耦合工作频点附近的相频响应曲线图。

图6是利用本发明搭建的一个太赫兹微分实验系统示意图。

图7是本发明对不同波形的太赫兹输入信号的微分结果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1-2所示，一种太赫兹时域微分器，包括：微分功能芯片和芯片封装盒。微分功能芯片由回音壁模式微环波导1、直波导2、第一锥形耦合波导3、第二锥形耦合波导5和衬底4组成，并被封装在封装盒中。所述直波导2位于回音壁模式微环波导1的一侧，回音壁模式微环波导1和直波导2构成了单跑道型的回音壁模式微环谐振腔；所述直波导用于传输太赫兹信号，其两端为锥形耦合波导，锥形耦合波导作为信号的输入和输出端口；所述回音壁模式微环谐振腔对特定频率的太赫兹信号产生谐振，并对接近临界耦合频率的太赫兹信号产生时域微分的效果；所述衬底用于固定回音壁模式微环和直波导；所述封装盒用于减少外部干扰对微分功能芯片的影响。本发明将以回音壁模式微环谐振腔为核心的微分功能芯片微组装起来，形成一个太赫兹时域微分器模块，能够便于与其他太赫兹装置如太赫兹源、太赫兹探测器对接。

如图1右上角的局部放大图所示，以锥型耦合波导5为例，其被置入于所设计的封装盒中的矩形波导通道中，矩形波导通道由矩形波导开口向内延伸形成，矩形波导开口的尺寸可以参考WR系列波导规范，太赫兹信号从金属矩形波导通道耦合到锥型波导之中。在一些实例当中，封装盒中的矩形波导开口尺寸为WR6.5、WR5.1、WR4.3、WR3.4、WR2.8、WR2.2、WR1.5、WR1.0等规格。

本发明中的回音壁模式微环波导、直波导、锥形耦合波导均属于介质波导，介质波导的有效折射率n

由于材料对太赫兹信号存在吸收，太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导1传播时不可避免地产生损耗，定义L是太赫兹信号围绕回音壁模式微环波导1的损耗系数，

所述微分功能芯片中的回音壁模式微环谐振腔的谐振频率根据公式f＝(mv)/(2πrn

实施例

本实施例选择高阻硅作为衬底，回音壁模式微环波导、直波导、锥形耦合波导尺寸参数的具体含义见图3所示，设计回音壁模式微环波导1和直波导2的宽度w为210μm，回音壁模式微环波导1和直波导2的高度为140μm，衬底的厚度为60μm。同时，为了保证封装好微分功能芯片后，太赫兹能量从矩形波导耦合到锥形耦合波导3，5上时的耦合效率，锥形耦合波导3，5的长度需为其宽度的3倍以上，在这里将其长度l设计为1263μm，此时锥形耦合波导的顶角θ约为9.5°。回音壁模式微环谐振腔的谐振频率与半径r为1820μm，模式数k为40～60。直波导和回音壁模式微环波导之间的距离d为20μm。

根据如下工艺制备和封装太赫兹时域微分器，具体步骤如下：

1、硅片减薄工艺，将硅晶原片的厚度减薄至200μm；

2、使用深硅刻蚀工艺，对硅片进行刻蚀140μm深，形成回音壁模式微环和直波导，再进行套刻工艺，形成锥型耦合波导，制成微分功能芯片；

3、根据单个微分功能芯片的尺寸，设计相应的封装盒，微组装成微分器。

4、将微分器与接口适配的太赫兹源、太赫兹探测器连接，用于测试。

为验证太赫兹时域微分器的传输特性，将封装之后的太赫兹时域微分器与矢量网络分析仪相连，测试器件的S参数，锥型耦合波导3作为信号输入端，锥型耦合波导5作为信号输出端，S

为了验证这种太赫兹时域微分器的信号微分效果，如图6所示，将制备并封装好的太赫兹时域微分器与连续波太赫兹源与太赫兹探测器相连。连续波太赫兹源由微波信号源、倍频模块与函数信号发生器组成。函数信号发生器用于产生不同波形的信号，该信号经过微波信号源和倍频模块后被调制为具有不同波形的太赫兹信号，探测器用于探测微分器输出的信号。在本实例中，函数信号发生器的频率被设置100kHz，函数信号发生器产生的信号经过微波信号源和倍频模块后被调制为405.45GHz的太赫兹信号，然后通过法兰结构信号被输入进封装好的微分器模块中，最终通过探测器接收。利用函数信号发生器依次产生方波、梯形波、锯齿波，探测器接收到的微分器的输出结果如图6所示，在不同信号的阶跃型边沿处均产生了脉冲，表明该太赫兹时域微分器工作正常。并且，生成的脉冲的宽度约为1.4μs，能量效率可以用器件临界耦合处的谐振输出(微分后波形)和非谐振输出(器件的输入波形)之间的平均脉冲功率之比来衡量，计算结果为0.7％，相比传统的利用分立式光纤进行能量输入输出的太赫兹时域微分器的能量效率(0.11％～0.59％)有显著提高。

本发明的实施方式并不受所述实施例的限制。未背离本发明的实质与原理，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、简化、替代、组合，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。