一种太赫兹波的高速探测方法及装置

摘要

本发明提供一种太赫兹波的高速探测方法及装置，该装置包括对太赫兹波进行直接强度探测的THzQWP和为THzQWP提供偏置电压并将其产生的光电流转换成电压信号的跨阻放大电路；为了便于跨阻放大电路的参数设计，本发明提出了THzQWP的小信号集总电学模型，该模型由电容Cq并联旁路差分电阻Rd和光电流源Is构成；跨阻放大电路包括运算放大器、补偿电容CF和跨阻RF；运算放大器的反相输入端与THzQWP的一端相连，运算放大器的同相输入端接偏置电压；跨阻RF连接于运算放大器的输出端和反相输入端之间；补偿电容与跨阻并联；THzQWP的另一端接地。本发明可以给THzQWP提供很低的工作偏压，同时将THzQWP的光电流信号转化为电压信号，方便后面电路环节处理。

权利要求

1.一种太赫兹波的高速探测装置，其特征在于，所述太赫兹波的高速探测装置至少包括：太赫兹量子阱探测器，用以对太赫兹波进行直接强度探测，包括一用以方便跨阻放大电路的参数设计的小信号集总电学模型，所述小信号集总电学模型由电容Cq并联旁路差分电阻Rd和光电流源Is构成；

跨阻放大电路，用以为太赫兹量子阱探测器提供偏置电压，并将太赫兹量子阱探测器输出的光电流信号转化为电压信号；包括运算放大器、补偿电容CF和跨阻RF；所述运算放大器的反相输入端与太赫兹量子阱探测器的一端相连，运算放大器的同相输入端接偏置电压；所述跨阻连接于运算放大器的输出端和反相输入端之间；所述补偿电容与所述跨阻并联；所述太赫兹量子阱探测器的另一端接地；

所述补偿电容 CT为运算放大器的反相输入端总电容，其

值为电容Cq与太赫兹量子阱探测器冷头端到常温端的连接线的电容、运算放大器的输入电容并联所得的值，GBW为运算放大器的单位增益带宽。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波的高速探测装置，其特征在于：所述偏置电压为几十毫伏量级。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波的高速探测装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器为工作在光电导模式的太赫兹量子阱探测器，其探测频率范围为2至7THz。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波的高速探测装置，其特征在于：所述光电流源Is根据Is=PR计算得出，其中P为入射太赫兹波的功率，R为太赫兹量子阱探测器的响应率。

5.一种权利要求1所述的太赫兹波的高速探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，太赫兹量子阱探测器对太赫兹波进行直接强度探测，输出光电流信号；

步骤二，跨阻放大电路将所述光电流信号转化为电压信号输出，即输出电压信号其中ω为光电流信号的频率，CF为跨阻放大电路中的补偿电容，RF为跨阻放大电路中的跨阻，Rd为太赫兹量子阱探测器中的小信号集总电学模型中的旁路差分电阻，CT为跨阻放大电路中的运算放大器的反相输入端总电容。

说明书

一种太赫兹波的高速探测方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于半导体光电器件技术领域，涉及一种太赫兹波探测方法及装置，尤其涉及一种太赫兹波的高速探测方法及装置。

背景技术

[0002] 太赫兹波是指频率从100GHz-10THz，频率介于毫米波与红外光之间的电磁波。由于太赫兹波自身的特点，其在高速通信、成像、频谱分析和遥感等方面，具有广阔的应用前景。对于1THz以上太赫兹波的直接探测，传统的方法和装置有硅测辐射热计、焦热电探测器和Golay cells（高莱）探测器。这些方法都是基于热响应的探测，响应速度不高。

[0003] 近几年发展的全固态的THz半导体量子阱探测器（THz Quantum Well Photodetector，THzQWP）是一种重要的窄带探测器，与其他宽带探测器相比具有很好的光谱分析能力和很快的响应速度，在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特优势；此外，其还具备工艺成熟、体积小和易集成等优点，可用于1THz以上太赫兹波的高速直接探测。目前基于GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器主要有光电导型和光伏型两种。

[0004] 目前对THz半导体量子阱探测器的应用，主要是利用现有的电学仪器设备，不利于探测装置的小型化和实用化。对于传统的光导型的光电探测器电路，一般采用串联的方式提供偏置电压，或者采用现有的针对光电探测器的跨阻放大器集成电路芯片。但是THz半导体量子阱探测器有其自身的特点，其工作的偏压非常低，一般在30-60mV，自身的电容也在pF量级甚至更大。传统的方法或芯片要么提供的带宽都非常有限，在几十kHz范围内，要么满足不了THz半导体量子阱探测器的工作偏压，所以在THz QWP的小型化高速探测电路方面，目前尚没有有效的解决方案。

发明内容

[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种太赫兹波的高速探测方法及装置，该方法和装置可以对太赫兹波进行高速直接的探测。

[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种太赫兹波的高速探测方法及装置。

[0007] 一种太赫兹波的高速探测装置，所述太赫兹波的高速探测装置至少包括太赫兹量子阱探测器和跨阻放大电路；所述太赫兹量子阱探测器用以对太赫兹波进行直接强度探测，包括一用以方便跨阻放大电路的参数设计的小信号集总电学模型，所述小信号集总电学模型由电容Cq并联旁路差分电阻Rd和光电流源Is构成；所述跨阻放大电路用以为太赫兹量子阱探测器提供偏置电压，并将太赫兹量子阱探测器输出的光电流信号转化为电压信号；包括运算放大器、补偿电容CF和跨阻RF；所述运算放大器的反相输入端与太赫兹量子阱探测器的一端相连，运算放大器的同相输入端接偏置电压；所述跨阻连接于运算放大器的输出端和反向输入端之间；所述补偿电容与所述跨阻并联；所述太赫兹量子阱探测器的另一端接地；所述补偿电容 CT为运算放大器的反相输入端总电容，其值为电容Cq与太赫兹量子阱探测器冷头端到常温端的连接线的电容、运算放大器的输入电容并联所得的值，GBW为运算放大器的单位增益带宽。

[0008] 优选地，所述偏置电压为几十毫伏量级。

[0009] 优选地，所述太赫兹量子阱探测器为工作在光电导模式的太赫兹量子阱探测器，其探测频率范围为2至7THz。

[0010] 优选地，所述光电流源Is根据Is=PR计算得出，其中P为入射太赫兹波的功率，R为太赫兹量子阱探测器的响应率。

[0011] 一种太赫兹波的高速探测装置的探测方法，包括以下步骤：

[0012] 步骤一，太赫兹量子阱探测器对太赫兹波进行直接强度探测，输出光电流信号；

[0013] 步骤二，跨阻放大电路将所述光电流信号转化为电压信号输出，即输出电压信号其中w为光电流信号的频率，CF为跨阻放大电路中的补偿电容，RF为跨阻放大电路中的跨阻，Rd为太赫兹量子阱探测器中的小信号集总电学模型中的旁路差分电阻，CT为跨阻放大电路中的运算放大器的反相输入端总电容。

[0014] 如上所述，本发明所述的太赫兹波的高速探测方法及装置，具有以下有益效果：

[0015] 本发明采用THz QWP对2-7THz的太赫兹波进行高速直接强度探测，对于尺寸不是非常大的THz QWP，其响应截止频率可达几十MHz，对于小尺寸的THz QWP，其响应截止频率可达GHz，适用于THz波通信和成像等应用。

附图说明

[0016] 图1显示为本发明所述的太赫兹波的高速探测装置的电路结构示意图。

[0017] 图2显示为本发明所述的太赫兹波的高速探测装置中的小信号集总电学模型的电路结构示意图。

[0018] 图3显示为本发明所述的太赫兹波的高速探测方法的流程示意图。

具体实施方式

[0019] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0020] 请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0021] 本发明公开了一种太赫兹波的高速探测装置及方法，其可对太赫兹（THz）波进行高速直接探测，适用于未来的THz通信或成像等应用。本发明采用工作在光导模式的太赫兹量子阱探测器（THz QWP）作为探测器件，给出了其小信号集总电学模型，并针对其工作偏压非常小的特点，设计了对应的高速探测电路（即跨阻放大电路）。其中，THz QWP的小信号集总电学模型为一个电容并联一个旁路差分电阻和一个光电流源，模型参数可通过计算或者实际测量得到。对应的高速探测电路的器件选型参数，可根据集总电学模型参数计算得到。

[0022] 下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

[0023] 实施例一

[0024] 本实施例提供一种太赫兹波的高速探测装置，如图1所示，该太赫兹波的高速探测装置至少包括太赫兹量子阱探测器和跨阻放大电路；所述太赫兹量子阱探测器用以对太赫兹波进行直接强度探测；所述跨阻放大电路用以为太赫兹量子阱探测器提供偏置电压，并将太赫兹量子阱探测器产生的光电流信号转化为电压信号。下面分别对太赫兹量子阱探测器和跨阻放大电路的结构进行详细说明。

[0025] 【太赫兹量子阱探测器】

[0026] 太赫兹量子阱探测器是中红外量子阱探测器（Quantum Well Infrared Photodetector）在太赫兹频段的延伸，它是一种全固态窄带探测器，具有很好的光谱分析能力和很快的响应速度，在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特优势；此外，其还具备工艺成熟、体积小和易集成等优点，可用于1THz以上太赫兹波的高速直接探测。为了便于后续电路的设计，本发明提出了太赫兹量子阱探测器的一种小信号集总电学模型，该模型由电容Cq并联旁路差分电阻Rd和光电流源Is构成，即电容Cq与旁路差分电阻Rd并联，同时电容Cq也与光电流源Is并联。所述光电流源Is根据IS=PR计算得出，其中P为入射太赫兹波的功率，R为太赫兹量子阱探测器的响应率。

[0027] 所述电容Cq可根据式子Cq=ε0εrA/h计算得出，其中，ε0为真空介电常数，值为8.85×10-12F/m，εr为GaAs/AlGaAs的相对介电常数，其值约为12.9，A为THz QWP器件的面积，h为级联量子阱的厚度。

[0028] 所述旁路差分电阻Rd可根据THz QWP的背景电流V-I曲线在偏置电压处由V对I求导得到。

[0029] 所述太赫兹量子阱探测器可以选取工作在光电导模式的太赫兹量子阱探测器，其探测频率范围为2至7THz，也可以选取其他太赫兹波段的量子阱探测器，本发明保护的范围不限于本实施例所述的太赫兹量子阱探测器的工作波段。

[0030] 【跨阻放大电路】

[0031] 跨阻放大电路包括运算放大器、补偿电容CF和跨阻RF；所述运算放大器的反相输入端与太赫兹量子阱探测器的一端相连，运算放大器的同相输入端接偏置电压；所述跨阻连接于运算放大器的输出端和反相输入端之间；所述补偿电容与所述跨阻并联；所述太赫兹量子阱探测器的另一端接地；所述补偿电容 CT为运算放大器的反相输入端总电容，其值为电容Cq与THz QWP（太赫兹量子阱探测器）冷头端到常温端的连接线的电容和运算放大器的输入电容并联所得的值（即电容Cq与THz QWP（太赫兹量子阱探测器）冷头端到常温端的连接线的电容并联，同时电容Cq也与运算放大器的输入电容并联），GBW为运算放大器的单位增益带宽。所述偏置电压为毫伏量级。

[0032] 所述运算放大器为低噪声、低输入失调电流、超大单位增益带宽的运算放大器。

[0033] 所述补偿电容CF可根据关系式 选择，其中CF为补偿电容，RF为跨阻，CT为运算放大器反相输入端总电容，CT的值为THz QWP小信号集总电学模型中的电容Cq与QWP冷头端到常温端的连接线的电容和运算放大器的输入电容并联所得的电容值，GBW为所述运算放大器的单位增益带宽。

[0034] 由于THz QWP具有皮秒级的极快的本征响应速率，在采用特性阻抗为50Ω的微带线或同轴线馈电的情况下，其内部电路的3dB截止频率为1/2πRLC（RL=50Ω），这一值可达几百MHz甚至GHz以上。相比之下，外部电路的带宽较小，器件响应的3dB截止频率由外部电路决定，为

[0035] 本发明采用THz QWP对2-7THz的太赫兹波进行高速直接强度探测，对于尺寸不是非常大的THz QWP（如面积为600um×600um，厚度为3um），其响应截止频率可达几十MHz，对于小尺寸的THz QWP，其响应截止频率可达GHz，适用于THz波通信和成像等应用。

[0036] 本发明针对所述THz QWP的高速探测电路，能给THz QWP提供很低的工作偏压（几十毫伏），同时采用跨阻放大电路，将THz QWP的光电流信号转化为电压信号，方便后面电路环节处理。

[0037] 实施例二

[0038] 本实施例提供一种太赫兹波的高速探测方法，如图3所示，包括以下步骤：

[0039] S1，太赫兹量子阱探测器对太赫兹波进行直接强度探测，输出光电流信号；

[0040] S2，跨阻放大电路将所述光电流信号转化为电压信号输出；

[0041] S3，对电压信号进行后续处理。

[0042] 参阅图1、图2，本实施例所述的太赫兹波的高速探测方法可由实施例一所述的太赫兹波的高速探测装置实现，该方法的具体实施方式如下：

[0043] （1）THz QWP的器件工作温度较低，需要将THz QWP置于机械制冷机的冷头上，制冷温度约为4K。根据THz QWP的不同，需要调整入射角度，如未采用光栅结构的THz QWP，采用45°斜入射方式；如采用了光栅结构的THz QWP，可采用垂直入射方式。太赫兹量子阱探测器包括一用以方便跨阻放大电路的参数设计的小信号集总电学模型，所述小信号集总电学模型由电容Cq并联旁路差分电阻Rd和光电流源Is构成。

[0044] （2）根据本发明图1所示的电路原理图做好电路，并根据需要搭配后续电路环节。本电路中，运算放大器采用双极性电源供电。为图1中Vbias端（即偏置电压端）提供合适的偏压，一般为30-60mV。由于负反馈导致的运算放大器跨阻放大电路中同相输入端和反相输入端电压近似相等的特性，该电压（V+和V-）会加载在THz QWP上。跨阻RF的值可根据增益需要选择，一般可选为1kΩ至10kΩ；相位补偿电容CF可根据关系式确定，其中CF为补偿电容，CT为运算放大器反相输入端总电容，其值为THz QWP小信号集总电学模型中的电容与QWP冷头端到常温端的连接线的电容和运算放大器的输入电容并联所得的电容值，GBW为所述运算放大器的单位增益带宽。

[0045] （3）THz QWP一端接至运算放大器的反相输入端，一端接该电路的地。

[0046] （4）运算放大器的输出端输出的是对应于入射太赫兹波强度的电压信号其中ω为光电流信号的频率，CF为跨阻放大电路中的补偿电容，RF为跨阻放大电路中的跨阻，Rd为太赫兹量子阱探测器中的小信号集总电学模型中的旁路差分电阻，CT为跨阻放大电路中的运算放大器的反相输入端总电容。后续电路可对此输出信号（即电压信号）进行相应的处理。

[0047] 本发明要解决的技术问题在于提供一种对太赫兹（THz）波进行高速直接探测的方法及装置。经过对太赫兹器件的深入研究，本发明提出的太赫兹波的高速探测方法是一种基于太赫兹量子阱探测器的对THz波进行直接高速探测的方法，该方法采用THz QWP作为探测器，通过高速探测电路为THz QWP提供合适的工作偏压，并将入射太赫兹波信号转换成电压信号输出。

[0048] 综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0049] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。