[发明专利]一种太赫兹波发射/接收集成模块

说明书

技术领域：

本发明涉及一种宽频谱太赫兹波发射/接收模块。

背景技术：

目前，太赫兹时域光谱系统在很多领域都具有很大的发展潜力和应用前景，例如生物医学、分子结构分析、无损检测、安全检查，以及毒品鉴别等。其中典型的太赫兹时域光谱系统主要由四个部分组成：飞秒脉冲激发源、时间延迟系统、太赫兹辐射源，以及太赫兹探测器。目前，这套系统由于体积庞大、系统复杂、稳定性差、成本昂贵，以及容易受环境的影响等自身缺陷，主要局限于实验室条件下使用，很大程度上限制了其产品化以及社会推广。因此，很多专家学者提出利用光纤替代系统中的光学传递元件，将空间光传输转为光纤传输，很大程度上缩小了系统体积，提高了系统稳定性以及抗环境干扰能力，此系统也俗称为光纤化太赫兹时域光谱系统。

本发明主要涉及时域光谱系统中的太赫兹发射器，这类发射器的辐射方式是借助光电导天线辅助辐射的方式。目前，已经有专家学者提出“猪尾巴式”（pig-tail）太赫兹发射器，这种发射器利用光纤将飞秒激光传递到光电导天线上，然后通过机械元件调节激光与天线电极间隙的对准，最后将其封装。这种发射器一定程度上增强了整套系统的灵活性，对于产业化也有积极意义。但是，这种“猪尾巴式”太赫兹发射器存在很多不足之处，比如光纤与天线的对准是通过调节机械元件实现的，直接影响了系统的稳定性，而且很容易受到外界机械振动的影响；同时，其对准过程需要借助聚焦透镜进行聚焦，而数值孔径的限制又进一步影响到天线gap位置处的聚焦光斑尺寸，加上自身的吸收损耗，最终影响到天线gap内的实际辐射能量密度。另一方面，这种发射器的输出端并没有引入光学聚焦系统，只是单纯利用超半球硅透镜进行光束整形，这种方式直接影响到太赫兹波辐射的能量收集效率以及光学传递特性。

发明内容：

为了解决“猪尾巴式”太赫兹发射器稳定性差、光路难调，以及结构复杂等固有缺陷，本发明提供一种结构简单、稳定性好、成本低廉的新型太赫兹发射集成模块。

本发明技术方案如下：

一种太赫兹波发射/接收集成模块，包括依次设置的保偏单模光纤、光纤耦合天线模块、以及太赫兹透镜；其中，光纤耦合天线模块包括光电导天线基片、超半球硅透镜、天线电极，所述天线电极和超半球硅透镜采用光学胶分别粘合固定于光电导天线基片的前端面和后端面，该光学胶的折射率与保偏单模光纤材料的折射率相同；保偏单模光纤的尾纤对准天线电极间隙，所述天线电极间隙的宽度对应所述尾纤的纤芯直径；尾纤的输出端面、天线电极间隙、超半球硅透镜与太赫兹透镜共轴。

基于上述基本方案，本发明还作如下优化改进和限定：

作为太赫兹波发射集成模块时，上述天线电极接有偏置电压（偏置电极）；作为太赫兹波接收集成模块时，上述天线电极电连接至微电流放大器。

在上述天线电极的前端面沿轴向设置有用以加固尾纤与光电导天线基片粘合的光纤固定卡箍。

上述光电导天线基片的材料选用低温生长GaAs半导体，几何尺寸为10mm×10mm。该材料对于800nm的激光辐射有较强吸收，且具有非常短的载流子寿命和载流子迁移率。

上述光学胶采用UV光学胶，折射率为1.54；保偏单模光纤的尾纤的工作中心波长为780nm，尾纤长度为20cm，可采用型号：Nufern PM780—HP。

上述超半球硅透镜的材料为高阻硅，直径为7mm，厚度为4.2mm，光电导天线基片厚度为0.5mm。（这样构成的光学耦合系统可有效地将天线电极间隙处类似于点光源发射的太赫兹辐射能量集中在近光轴方向，提高了太赫兹辐射收集效率。）

太赫兹透镜材料选用高密度聚乙烯材料（HDPE），该材料对太赫兹辐射基本透明，透镜孔径为7mm，焦距为100mm。

本发明的有益效果如下：

1.该集成模块结构简单，成本低廉，模块各组成部件均为普通元件，易于加工。

2.该集成模块既可用于产生太赫兹，亦可用于探测太赫兹，只需调整与外部设备的连接方式和应用环境即可。

3.该集成模块中的光纤耦合天线模块采用UV光学胶（n=1.54）直接将光纤端面与光电导天线基片直接粘合，省去了光学聚焦系统以及机械对准系统，提高了激光辐射天线gap的能量密度，增强了系统的稳定性，且不易受到外界环境的干扰。

4.与传统的偶极天线电极相比，该集成模块采用的天线gap（天线电极间隙）宽度为5μm，属于窄隙天线。