PDF《基于太赫兹片上系统微带线的设计与仿真》

修回日期:2016-12-21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61575131;

61675138) *通信作者:苏波email:[email protected] 第2期张聪等: 基于太赫兹片上系统微带线的设计与仿真

179 于此,提出了一种太赫兹时域光谱系统的片上集成器件即太赫兹片上系统,该系统不但解决了传统太赫兹时域光 谱系统的空间占用问题,而且省去了样品测量之前太赫兹波的准直调节,使样品测量步骤更加简洁.但是从发表 的文献上来看,目前在国外分别有

2 所大学对该系统进行了研究,在国内对于这方面的研究报道还很少.究其原 因主要在于微结构的加工,整体器件结构设计以及传输波导的设计与制作等难点问题.就微带线而言,多数文献 是对微带线的单一结构进行理论研究,很少将微带线与其他结构集成到一个芯片上进行研究.本文主要阐述了太 赫兹片上系统的工作原理,并通过理论分析和仿真模拟,研究了微带线在太赫兹频率范围内的传输损耗与微带线 结构的关系,为下一步工作打下坚实的基础.

1 太赫兹片上系统工作原理 区别于传统太赫兹时域光谱系统, 太赫兹片上系统将产生太赫兹脉冲的泵浦区与接收太赫兹脉冲的探测区集 成在同一基片上,在泵浦区与探测区之间用金属波导连接,见图 1.当波长

800 nm 的飞秒激光脉冲聚焦于泵浦 区的低温砷化镓

3 上时,在低温砷化镓

3 表面会瞬间产生大量的光生载流子.由于光电导开关两侧接有电极

2 使得自由载流子会在电场的作用下加速运动,从而形成瞬变的光电流,最终这种快速的、随时间变化的电流会辐 射出太赫兹脉冲[4] ,这些脉冲被耦合进入波导

4 并被传输至探测区.当太赫兹脉冲传输至被测样品后,通过微带 线周围的太赫兹脉冲消逝场与样品的相互作用使得太赫兹脉冲携带有被测样品的信息.在探测区,飞秒激光脉冲 直接打在低温砷化镓

3 上,在低温砷化镓

3 表面会产生大量的光 生载流子,而此时同步到达的携带有被测样品信息的太赫兹脉冲 作为加载在金属电极

2 两端的偏置电场,使得光生载流子向两金 属电极

2 运动形成光电流.然后通过与金属电极

2 相连的电流探 测器来测量这个与太赫兹脉冲瞬时电场成正比的光电流,由此完 成对于携带有样品信息的太赫兹脉冲的探测[5] .因其器件长度远 远低于衍射极限,所以对样品量要求极少.由于泵浦与接收在同 一芯片上,这样不仅不用对太赫兹光路进行准直而且还可以很大 程度上缩小整体仪器的尺寸并减轻质量,从而实现设备的小型化.

2 微带线结构尺寸设计 微带线是

20 世纪

50 年代发展起来的一类微波传输线,具有体积小、质量轻、频段宽、可集成等优点,其主 要由金金属材料的带状线、介质层和金金属材料的接地平面构成[6] ,如图 2(a)所示.图2(b)是微带线的电场分布 示意图,从微带线中的场分布可以看出,电场大部分存在于介质基片中,还有一小部分处在空气介质中.因而微 带线中的介质是由空气层和介质层组成的混合介质,该混合介质的介电常数定义为有效介电常数[7] . (a) structure of MSL (b) electric field distribution in MSL Fig.2 Structure of MSL and the electric field distribution 图2微带线结构图及电场分布示意图 导体带状线的宽度 w 和介质层厚度 h,以及介质层的介电常数 εr 都会影响该混合介质的介电特性,如式(1), 有效介电常数 eff ε 可表示为: r r eff