一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构

摘要

本发明公开了一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，包括基底结构，所述基底结构上表面设置有电磁能量辐射结构和探测器直流供电结构，所述电磁能量辐射结构采用共面波导形式，所述电磁能量辐射结构包括共面波导和主辐射结构，所述共面波导包括中间矩形和两个旁侧矩形，所述主辐射结构为圆形连接结构，本发明一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，首先设计并优化了工作在太赫兹频段的宽频电磁能量辐射结构，其次设计并优化了光电探测器直流供电结构，并将直流供电结构与电磁能量辐射结构进行一体化融合，布置于介质基底上。通过不断优化结构参数，最终获得了工作在太赫兹频段的宽频电磁结构。

权利要求

1.一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：包括基底结构(A)，所述基底结构(A)上表面设置有电磁能量辐射结构(B)和探测器直流供电结构(C)，所述电磁能量辐射结构(B)采用共面波导形式，所述电磁能量辐射结构(B)包括共面波导(10)和主辐射结构(20)，所述共面波导(10)包括中间矩形(11)和两个旁侧矩形(12)，所述主辐射结构(20)为圆形连接结构，所述主辐射结构(20)包括与所述中间矩形(11)连接的圆一(21)，所述圆一(21)上连接圆二(22)和圆四(24)，所述圆二(22)末端连接有圆三(23)，所述圆一(21)内部被圆五(25)挖空，所述圆一(21)与所述圆二(22)和圆四(24)分别外切，所述圆二(22)与所述圆三(23)外切，所述圆一(21)、所述圆二(22)和所述圆三(23)的圆心处于同一直线，所述圆一(21)与所述圆五(25)圆心均在所述中间矩形(11)对称轴线上，所述圆三(23)和所述旁侧矩形(12)分别连接所述探测器直流供电结构(C)的正负极两端，所述探测器直流供电结构(C)采用细长矩形一(31)与正方形一(32)的头端连接，以及细长矩形二(33)与正方形二(34)的头端连接的结构，所述正方形一(32)、正方形二(34)均用于连接外部供电探针，所述细长矩形一(31)末端连接圆三(23)、细长矩形二(33)末端连接其中一个旁侧矩形(12)远离所述中间矩形(11)的一侧。

2.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述旁侧矩形(12)对称且间隔布置在所述中间矩形(11)两侧，所述中间矩形(11)传输电磁信号，所述旁侧矩形(12)为信号地。

3.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述细长矩形一(31)末端作为所述探测器直流供电结构(C)的正负极两端中的一个，所述细长矩形二(33)末端作为所述探测器直接供电结构(C)的正负极两端中的另一个。

4.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述基底结构(A)采用氮化铝材料，所述电磁能量辐射结构(B)和探测器直流供电结构(C)采用金作为信号传输金属材料。

5.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述基底结构(A)长边与所述电磁能量辐射结构(B)的共面波导(10)一侧平齐。

6.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述电磁能量辐射结构(B)工作在太赫兹频段，工作范围0.1THz 0.75THz。

~

7.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述电磁能量辐射结构(B)的共面波导阻抗控制在50Ω。

8.如权利要求1所述的一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其特征在于：所述圆一(21)、圆二(22)、圆三(23)、圆四(24)、圆五(25)的尺寸半径分别为：r1=245um、r2=125um、r3=80um、r4=60um、r5=150um，所述圆一(21)、圆二(22)和圆三(23)的圆心所在直线与所述圆一(21)与圆五(25)圆心连线之间的夹角e1=π/7，所述圆一(21)和圆四(24)的圆心所在直线与所述圆一(21)与圆五(25)圆心连线之间的夹角e2=π/7。

说明书

一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构

技术领域

[0001] 本发明涉及光电领域的信号探测识别领域，尤其涉及一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构。

背景技术

[0002] 光电探测技术是现代通信技术的关键技术之一，随着通信速率需求的急剧增长，基于铜介质的传输速率已经远远不能满足现在通信技术要求，以光纤为主要传输介质的高速信号传输技术代表着未来通信技术发展方向，“光进铜退”的技术趋势愈发明显。而光电探测技术则是光纤高速信号传输技术的关键一环，对于光信号质量检测与器件性能判别起到重要作用，特别是随着电磁信号从毫米波往太赫兹频段不断拓展，受限于现有测试仪器设备频段性能制约，如何在太赫兹频段开展光信号质量检测与器件性能判别，是目前光电探测识别领域的一个重要内容。

[0003] 传统的光电探测电磁结构，包括蝴蝶结结构、对数周期结构等，在太赫兹频段上的工作带宽小，这对于光电信号的探测是不利的，无法很好反映光电器件的工作性能；同时传统光电探测电磁结构在连接上不易与现有接口进行直接连接。因此，需要对光电探测电磁结构进行新的改进设计，包括工作频段与带宽等，满足光电探测技术需求。

发明内容

[0004] 本发明针对光电探测技术领域对于太赫兹频段信号检测的需求以及现有技术的不足，提出了一种可用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，具有工作频段高、频带宽、结构紧凑等特点，且考虑了光电探测器的直流偏置需求，能够满足光电探测的技术需求。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 本发明公开了一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，包括基底结构，所述基底结构上表面设置有电磁能量辐射结构和探测器直流供电结构，所述电磁能量辐射结构采用共面波导形式，所述电磁能量辐射结构包括共面波导和主辐射结构，所述共面波导包括中间矩形和两个旁侧矩形，所述主辐射结构为圆形连接结构，所述主辐射结构包括与所述中间矩形连接的圆一，所述圆一上连接圆二和圆四，所述圆二末端连接有圆三，所述圆一内部被圆五挖空，所述圆三和其中一个所述旁侧矩形分别连接所述探测器直流供电结构的正负极两端。

[0007] 作为优选的，所述旁侧矩形对称且间隔布置在所述中间矩形两侧，所述中间矩形传输电磁信号，所述旁侧矩形为信号地。

[0008] 作为优选的，所述探测器直流供电结构采用细长矩形一与正方形一的头端连接，以及细长矩形二与正方形二的头端连接的结构，所述正方形一、正方形二均用于连接外部供电探针，所述细长矩形一末端连接圆三、细长矩形二末端连接其中一个旁侧矩形远离所述中间矩形的一侧，所述细长矩形一末端作为所述探测器直流供电结构的正负极两端中的一个，所述细长矩形二末端作为所述探测器直接供电结构的正负极两端中的另一个。

[0009] 作为优选的，所述圆一与所述圆二和圆四分别外切，所述圆二与所述圆三外切，所述圆一、所述圆二和所述圆三的圆心处于同一直线，所述圆一与所述圆五圆心均在所述中间矩形对称轴线上。

[0010] 作为优选的，所述基底结构采用氮化铝材料，所述电磁能量辐射结构和探测器直流供电结构采用金作为信号传输金属材料。

[0011] 作为优选的，所述基底结构长边与所述电磁能量辐射结构的共面波导一侧平齐。

[0012] 作为优选的，所述电磁能量辐射结构工作在太赫兹频段，工作范围0.1THz~0.75THz。

[0013] 作为优选的，所述电磁能量辐射结构的共面波导阻抗控制在50Ω。

[0014] 作为优选的，所述圆一、圆二、圆三、圆四、圆五的尺寸半径分别为：r1=245um、r2=125um、r3=80um、r4=60um、r5=150um，所述圆一、圆二和圆三的圆心所在直线与所述中间矩形对称轴线之间的夹角e1=π/7，所述圆一和圆四的圆心所在直线与所述中间矩形对称轴线之间的夹角e2=π/7。

[0015] 本发明的有益效果：本发明一种用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，首先设计并优化了工作在太赫兹频段的宽频电磁能量辐射结构，其次设计并优化了光电探测器直流供电结构，并将直流供电结构与电磁能量辐射结构进行一体化融合，布置于介质基底上。通过不断优化结构参数，最终获得了工作在太赫兹频段的宽频电磁结构。本发明设计的用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的基底结构具有宽频带、低剖面、结构紧凑、良好电磁辐射增益等特点，相比于蝴蝶结结构、对数周期结构等传统太赫兹电磁结构，具有显著的性能提升。

附图说明

[0016] 图1是本发明实施例的结构示意图；

[0017] 图2是本发明实施例的电磁能量辐射结构尺寸示意图；

[0018] 图3是本发明实施例的介质基底结构尺寸示意图；

[0019] 图4是本发明实施例的工作带宽仿真结果；

[0020] 图5本发明实施例的电磁辐射性能E面方向图仿真结果；

[0021] 图6本发明实施例的电磁辐射性能H面方向图仿真结果；

[0022] 图7 本发明实施例的典型应用场景；

[0023] 图中：A‑基底结构、B‑电磁能量辐射结构、C‑探测器直流供电结构、10‑共面波导、11‑中间矩形、12‑旁侧矩形、20‑主辐射结构、21‑圆一、22‑圆二、23‑圆三、24‑圆四、25‑圆五、31‑细长矩形一、32‑正方形一、33‑细长矩形二、34‑正方形二、D‑磷化铟基底、E‑光电探测器、F‑光电信号输出结构、G‑光电探测的宽频太赫兹电磁结构、H‑场强探头、I‑测试线缆、J‑接收机、K‑偏置电压正极探针、L‑偏置电压负极探针、M‑氮化铝基底。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

[0025] 本发明所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，包括基底结构A，电磁能量辐射结构B，探测器直流供电结构C等三个部分。电磁能量辐射结构B采用共面波导形式，包含共面波导10和主辐射结构20两个部分，主辐射结构20为圆形连接结构，融合探测器直流供电结构C，考虑直流供电结构对电磁辐射性能的影响，所有金属结构布置于基底结构A上。本发明设计的用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，具有工作频段高、频带宽、结构紧凑等特点，且考虑了光电探测器的直流偏置需求，能够满足光电探测的技术需求。

[0026] 参见图1、图2，为所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的示意图和尺寸示意图。

[0027] 所述电磁能量辐射结构B包含共面波导10和主辐射结构20两个部分，所述电磁能量辐射结构是光电信号转化器，将光电探测器得到的微弱电信号以电磁波形式辐射出去。

[0028] 所述电磁能量辐射结构B的共面波导10，包含一个中间矩形11和两个旁侧矩形12，两个旁侧矩形是共面波导的信号地，大小一样，宽度为w2，长度为l2，且对称并间隔布置在中间矩形11两侧；中间矩形11传输电磁信号，宽度为w1，长度为了l1。中间矩形11与旁侧矩形12间距为g1。

[0029] 所述电磁能量辐射结构B的共面波导10，通过调整共面波导10的中间矩形11和两个旁侧矩形12的宽度w1、w2，以及中间矩形11和旁侧矩形12的间距g1，来设计满足要求的50Ω特性阻抗。通过不断调整设计参数，最终得到的共面波导尺寸为：w1是50um，w2是43.5um，l1是50um，l2是200um，g1是30um。

[0030] 所述电磁能量辐射结构B的主辐射结构20，与共面波导10的中间矩形11连接，布置在基底结构A上。主辐射结构采用四个圆连接的形式，分别是圆一21、圆二22、圆三23、圆四24，对应的半径分别为r1、r2、r3、r4。圆1与电磁能量辐射结构共面波导10的中间矩形11连接，圆一21内部被圆五25挖空，圆五25半径为r5，且圆五25与圆一21的圆心均在共面波导10中间矩形11的长边中心轴上，两个圆心间距g2。圆二22与圆一21连接，圆三23与圆二22连接，三个圆心在一条直线上，该直线与电磁能量辐射结构B中间矩形11长轴轴线夹角为ɵ1；
圆四24与圆一21连接，圆四24、圆一21圆心连线与电磁能量辐射结构B中间矩形11长轴轴线夹角为ɵ2，通过不断调整上述参数并优化结果，来获得满足要求的电磁辐射结构尺寸。

[0031] 具体地，通过调整圆一21、圆二22、圆三23、圆四24的半径r1、r2、r3、r4，使得电磁能量辐射结构B的主辐射结构20具备多个太赫兹频段下的谐振点，从而提高了主辐射结构在太赫兹频段下的工作频带宽度；通过调整圆五25的半径r5，以及圆心连线与中间矩形11长轴轴线夹角ɵ1、ɵ2，可进一步优化主辐射结构在工作频段内的性能。通过不断调整设计参数，最终得到的主辐射结构尺寸为：r1是245um，r2是125um，r3是80um，r4是60um，r5是150um，g2是70um，ɵ1是π/7，ɵ2是π/7。

[0032] 所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的探测器直流供电结构C，在连接外部电压探针时可以给光电探测器提供偏置电压，使其正常工作。

[0033] 所述探测器直流供电结构C包含正负极两端，其中正极采用细长矩形一31与正方形一32连接的结构形式，细长矩形一31与圆三23连接，正方形一32可与外部供电正极探针连接；正极细长矩形宽度为w3，长度为l3，正极正方形宽度为w4，长度为l4。负极采用细长矩形二33与正方形二34连接的结构形式，细长矩形二33与其中一个旁侧矩形12远离所述中间矩形(11)的一侧连接，正方形二34可与外部供电负极探针连接；负极细长矩形宽度为w5，长度为l5，负极正方形宽度为w6，长度为l6。

[0034] 进一步地，所述探测器直流供电结构C会对电磁能量辐射结构的性能产生影响，因此需要优化直接供电结构的尺寸参数，设计得到满足性能指标要求的探测器直流供电结构。最终得到的探测器直流供电结构C尺寸为：w3是10um，w4是50um，w5是10um，w6是50um，l3是423um，l4是50um，l5是220um，l6是50um。

[0035] 参见图3，所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的电磁能量辐射结构B与探测器直流供电结构C均采用金作为金属材料，不同金的厚度会对电磁能量辐射结构的辐射性能包括共面波导阻抗、工作带宽等产生影响。通过不断调整优化金的厚度并结合实际工艺制造水平，最终金的厚度h2是8um。

[0036] 所述基底结构A采用氮化铝材料，起支撑与连接作用，电磁能量辐射结构B与探测器直流供电结构C均布置在基底结构A上表面。

[0037] 所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的整体尺寸小，结构紧凑，剖面低，通过仿真优化基底结构的参数，最终完成用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的设计。具体结构尺寸为：w7是1048um，l7是1625um，h1是254um。

[0038] 参见图4，所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，基于上述结构参数设计得到用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构的电磁传输性能，其工作带宽（S参数小于‑10dB）为太赫兹频段，起止频率为0.1THz 0.75THz，具备宽频工作特征。在工作频段内，S参数最小为‑~31.5 dB。

[0039] 参见图5，所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其电磁辐射E面（ =90°，‑180°< <180°）方向图显示该结构具备良好的辐射性能，在E面辐射范围内，用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构最大增益为6dB。在‑150°‑30°范围内增益稳定在2dB以上，在30°~ ~
160°范围内增益稳定在2.5dB以上，在宽角度范围内用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构具备良好辐射性能。

[0040] 参见图6，所述用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构，其电磁辐射H面（ =90°，‑180°< <180°）辐射范围内，用于光电探测的宽频太赫兹电磁结构最大增益为7.1dB，显示出该结构具备较高的电磁辐射增益性能。

[0041] 参见图7，基于本发明的一种光电探测的宽频太赫兹电磁结构，可具体应用于光电探测器的性能测试，其中一种典型的应用场景为：所采用的光电探测器E生长在磷化铟基底D上，且通过在磷化铟继续生长光电信号输出结构F，来实现光电探测器与其他器件的连接。光电信号输出结构F的末端连接本发明光电探测的宽频太赫兹电磁结构G的共面波导10部分。通过磷化铟D上的光电信号输出结构F与所述光电探测的宽频太赫兹电磁结构G的共面波导10连接，且通过偏置电压正极探针K、偏置电压负极探针L分别给光电探测器进行直流偏置设置，使光电探测器E工作在相应工作区内。光电探测器E将光信号转化成电信号，再通过光电探测的宽频太赫兹电磁结构G的主辐射结构，将电信号转化成电磁波并辐射出去。为了测量电磁辐射信号的频段和强度，在光电探测的宽频太赫兹电磁结构G的主辐射结构附近，放置一个宽频外部场强探头H，外部场强探头H通过测试线缆I与接收机J的射频端口连接，来测量电磁波信号。从接收机J上面可以读出从光电探测的宽频太赫兹电磁结构辐射出来的电磁信号能量强度，以及对应的频段。通过对比不同频段所接收能量的强度差异，可以分析判断光电探测器的工作带宽，从而获得光电探测器的光电信号转化效率等性能。

[0042] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。