光电导天线 (PCA)作为常用的太赫兹发射器件, 如何提高其辐射效率, 成为国内外研究人员研究的重点。通过时域有限差分法对 PCA辐射效率进行研究, 在光敏层表面加入柱状结构, 使更多的光被捕获到光敏层, 模拟结果表明该结构具有显著增强辐射效率的作用。通过对比材料、柱状形状对增强效果的影响, 结果表明, 在同一种柱状结构下, 银材料的 PCA、金材料的 PCA、砷化镓材料的 PCA的增强效果依次降低; 同一材料下, 带有正六棱柱结构、圆柱形结构、正四棱柱结构的光 PCA的增强效果依次降低。通过材料与结构的最佳组合, 最高的增强效率为传统 PCA的 1 100%, 最低的增强效率为传统 PCA的 150%。

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内, 广泛应用的光谱测量技术。 这种技术可以用于许多物质的频谱分析, 对于研究化学、 半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。 然而用该系统进行样品探测时, 受回波的影响频谱分辨率较低; 受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响, 样品消耗量较多, 并且整个系统的占用空间较大, 这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。 为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性, 设计了一种将太赫兹泵浦区、 探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统, 该系统不仅能够解决上述系统的局限性, 还能够省去样品测量前的光路准直环节, 使样品的测量过程更加简便, 同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。 在太赫兹片上系统中, 泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成, 由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制, 如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底, 并将其转移与键合, 是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。 首先利用分子束外延(MBE)技术制备出由半绝缘砷化镓、 砷化镓缓冲层、 砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片, 然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理, 将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉, 从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。 为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜, 研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。 给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度, 即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。 相比于已有工艺, 这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。 最后, 将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上, 并制成光电导天线的结构。 利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。 由此说明, 低温砷化镓薄膜的获取、 转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求, 这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。

为了提高太赫兹辐射强度, 设计了带THz扼流圈的偶极天线阵列.模拟结果表明, 增加直线阵的阵元数对平均匹配效率影响很小, 却能线性增加相干辐射强度.加入THz扼流圈可减小进入到传输线的交流分量, 进而减小共振频率的偏移, 使平均匹配效率提升了两倍.相比于网格排列的平面阵, 交错排列的阵元在垂直方向上具有更小的耦合, THz发射谱更窄.通过使用聚酰亚胺透镜代替硅透镜, 可有效提高输入电阻, 并将总效率由25%提高到35%.

研究了在抽运激光光斑面积不同的情况下,两种小孔径光电导天线各自的辐射特性,并且将它们辐射出的太赫兹(THz)波进行了对比。目的在于找到提高小孔径光电导天线发射效率的方法,为研制高效率的太赫兹波辐射源提供参考依据。利用太赫兹时域光谱(TDS)技术测量了光电导天线辐射的太赫兹脉冲,得到了时域发射光谱,通过快速傅里叶变换得到相应的频域光谱。结果表明,两种光电导天线辐射的太赫兹信号强度都随着抽运激光光斑直径的减小而增强;随偏置电压的增大而增强;随着抽运激光功率的增大出现了先增强后饱和的现象。在偏置电压、抽运激光光斑直径与抽运激光功率相同时,对比两种光电导天线产生的太赫兹信号发现:蝴蝶型光电导天线的太赫兹信号的强度较大并且频域谱的半峰全宽(FWHM)较宽。