采用单行载流子光电二极管的太赫兹波光混频器模块的研制
针对太赫兹的众多应用前景，我们开发了一种紧凑、重量轻、高功率和超宽带的THz波光混频模块，该模块使用了单行进载流子光电二极管。该模块在室温下工作，在0.35THz输出0.5mW，10dB下行带宽高达260GHz。它的输出频率可以在太赫兹波段的极宽频率范围内连续扫描。在本文中，我们报告了使用超高速、高功率光电二极管产生太赫兹波的光混合技术以及两种版本的光混合模块的开发。
在通信和非通信领域，已经进行了许多试验，以将未开发的频率范围（太赫兹范围）用于高频应用。太赫兹波是频率范围从0.1THz到10 THz的电磁波（图1）。这个频率范围位于无线电波和光波之间，因此太赫兹波的特性要么介于两者之间，要么是两者优点的结合。图1还描述了一些有优势的主要特征。
最近，利用THz波的这些优越特性的各种高频应用已经被积极地提出和研究。可能的应用包括超高容量无线通信系统、无损检测/成像系统、光谱遥感/分析系统和天文射电望远镜系统，如图2所示。鉴于近年来频繁发生的灾害，人们对太赫兹波进行了热烈的研究，特别是针对涉及人类安全和救援的系统。
NTT光子实验室发明了单行载流子光电二极管（UTC-PD）[1]，作为高速光通信系统的关键器件，并继续对其进行研究，以进行改进和开发应用。与传统引脚PD相比，UTC-PD同时实现了超高速和高功率。这一优良特性不仅非常适合于高速光通信接收机，而且也非常适合于电磁波信号发生器。THz波光混频模块的开发基于与我们先前开发的基于UTC-PD的毫米波光混合器相同的技术[2]。UTC-PD和模块的结构都得到了改进和优化，以便在0.2THz至0.65THz的频率范围内使用。目前，我们的模块的中心频率为0.35 THz，用作光谱遥感系统的电源[3]。
基于PD的光混合技术如图3所示。太赫兹信号由UTC-PD中的超高速光电（O/E）转换产生。通过在光耦合器中组合两个不同频率（f1，f2；f1>f2）的光，获得拍频频率为fb（=f1-f2）的光拍频信号。例如，通过使用波长为1.5000μm（201 THz）和1.5075μm（200 THz）的光，我们可以获得频率恰好为1THz的拍频信号。输入到UTC-PD的光学拍频信号被转换为具有与fb相同频率的调制电流。太赫兹信号可以通过将调制电流从波导或天线辐射到空间来获得。
3.1 UTC-PD特点
尽管最广泛使用的PD是传统的pin-PD，但其性能有两个限制（PIN：positive, intrinsic, negative layers）。一个是最大运行速度，当光被输入pin-PD的吸收层时，电子-空穴对（即电流载流子）被产生（图4（a））。在pin-PD中，电子和空穴都有助于其O/E转换机制。由于空穴的有效质量大于电子的有效质量，并且其速度低得多，所以pin-PD的最大工作速度受到空穴速度的限制。另一个限制与最大输出电流有关。当光输入功率变高时，由于载流子积累，未掺杂吸收层中的频带被空间电荷偏移。这种频带偏移导致载流子速度急剧下降，从而导致输出电流饱和。为了克服pin-PD的这些限制，我们研究了UTC-PD。
在UTC-PD中，p掺杂吸收层与宽间隙未掺杂载流子收集层分离（图4（b）），这与pin PD形成鲜明对比。这种结构意味着只有电子是穿过耗尽的未掺杂载流子收集层的活性载流子。大多数光生空穴非常迅速地松弛到吸收层中，其中空穴是主要载流子。因此，UTC-PD的最大工作速度仅由电子速度决定，电子速度远高于空穴速度。与pin-PD相比，空间电荷效应也比pin-PD小得多。因此，以上这些可以看出UTC-PD可以同时表现出高性能，同时还有超高速和高饱和输出电流的特性。
我们已经实现了310GHz的3dB下行带宽和750GHz的10dB下行带宽作为工作频率带宽[4]。对于高光输入功率，我们还获得了30mA的最大输出电流。
3.2 优化设计UTC-PD用于太赫兹光混频器
为了获得太赫兹频率的输出电流，优化UTC-PD的频带结构至关重要。我们为之前的毫米波光混合器设计了比UTC-PD更薄的吸收层；这减少了UTC-PD在较高频率下工作时的载波传输时间。其他层的厚度和材料也被优化以与薄吸收层兼容。
除了频带结构，我们还改进了UTC-PC芯片的物理结构。图5显示了设计用于在太赫兹频率范围内工作的制造的UTC-PD芯片。芯片尺寸为300×450μm2。
PD输出电流的频率响应显示出由电阻器-电容器时间常数引起的一般宽带形状。响应随工作频率的增加而降低。对于太赫兹光混频器，芯片上集成了短截线以增加输出电流。它充当UTC-PD的谐振电路，以补偿频率响应的衰减。太赫兹信号的输出功率被设计为在设计的中心频率附近尽可能高。在该开发中，中心频率被设置为0.35THz。通过使用谐振效应，预计输出电流将在中心频率附近增加。我们测量了脉冲光响应，以评估芯片的谐振设计。从大约0.35THz振荡的测量脉冲波形中，我们确定了短截线作为谐振电路的作用。
4.1 优化设计
对于实际应用，除了高性能外，光混合器模块还要求紧凑、轻便且易于操作。此外，由于该模块将应用于各种高频系统，因此应易于组装在板上或封装中。作为我们调查的结果，我们确定蝴蝶封装将是该模块的最佳形式。它是一种通用的封装，对于许多光学设备都有良好的应用记录，因此价格低廉，易于获得。
对于模块结构研究，有两个主要问题：它们涉及光学实现和电气实现。前者涵盖了光输入到UTC-PD的效率，后者涵盖了来自UTC-PD超高频电流转换为太赫兹信号的效率。
当今的高频同轴连接器对于频率范围高于0.1THz的电流具有明显的传播损耗，因此必须选择波导技术或直接辐射技术（准光学技术）从模块输出电流。我们在开发之前的毫米波光混频器模块期间开发了基于波导的模块结构，并确认了其优异的特性。太赫兹光混频器模块基于该技术的扩展。
内部结构的横截面示意图如图6所示。光学部分由光纤和准直透镜组成。准直透镜系统在光学设计方面具有良好的通用性，并且在光纤、透镜和UTC-PD之间具有优异的光学对准稳定性。UTC-PD芯片安装在具有矩形波导输出的金属块上，矩形波导的孔径尺寸为0.864×0.432mm(即WR3.4)。UTC-PD晶片和波导通过由阻抗转换器、微带线和辐射器组成的石英耦合器连接。该模块通过将这些组件组装在具有相同波导的蝶形封装中而制成。
波导接口链接参考：波导接口参数
石英耦合器的设计对于太赫兹信号进入波导的超高频电流的高发射效率非常重要。设计政策如下：
（1） 反射功率尽可能低
（2） 传输功率尽可能高
（3） 波导中高阶模式的传播从UTC-PD的电流输出点到波导的太赫兹信号输出点被尽可能地抑制。
使用三维电磁波模拟器设计石英耦合器，以获得0.2THz至0.65THz的平坦特性。通过对各种设计的仿真，优化后的反射功率小于-30dB，传输功率损失小于3dB。
4.2 性能表现
我们使用上一节中描述的优化设计制造了太赫兹光混频器模块（图7）。模块为3×1.65×1 cm3。
当光学拍频信号的频率从0.2 THz扫到0.65 THz时，输出功率与频率的相关性如图8所示。输出功率在0.35THz左右（短截线的设计中心频率）明显增强，最大值超过0.5mW[5]。这是在该频率范围内工作的单个PD的光混频器所报告的最高值。3 dB和10 dB的下行带宽分别宽达120和260 GHz，显示出极高的宽带性能。
该模块的主要特点是同时实现高输出功率和极宽带宽。除了这种高性能外，它还非常容易使用，因为它在室温下以连续波运行，无需任何冷却。
为了实现太赫兹波输出方法的多样化，我们还研究了准光学光混合器模块（图9）。太赫兹信号产生原理与波导输出型模块相同。准光学模块由与天线集成的UTC-PD芯片和带有硅透镜的金属封装组成，用于准直辐射的太赫兹信号。
在波导输出型模块中，随着工作频率变高，波导的孔径必须变小。因此，在太赫兹范围内，通过金属切割工艺制造具有小孔径的精确矩形波导变得困难。准光学模块适合于增加工作频率，因为它不需要高精度的金属切割。还有一些其他好的功能：
（1） 通过选择集成天线的类型，很容易制造宽带或谐振型模块。
（2） 容易制造气密模块，这有利于模块的可靠性，因为模块没有孔。
（3） 由于不存在需要精确位置对准的石英耦合器，所以电气实现很容易。
尽管目前最大输出功率低于波导输出型模块的输出功率，但我们确认了频率高达1.5THz的太赫兹信号[6]。
本文描述了UTC-PD的工作原理和特点，与传统的pin-PD相比，UTC-PD由于其独特的载波传输机制而具有极宽的带宽和高功率的优点。UTC-PD的一个主要应用是产生太赫兹信号源。我们开发的THz波光混合器模块使用UTC-PD，制造为波导输出型模块，表现出优异的性能。它在0.35 THz下的最大输出功率超过0.5 mW，10 dB下行带宽达到260 GHz。该最大输出功率是在0.2-0.65THz的频率范围内工作的光混合器直接产生的有史以来报告的最高值。我们基于UTC-PD的准光学模块可产生最大频率为1.5THz的太赫兹信号。
参考文献
作者
NTT基于UTC-PD推出商用光混频器，是理想的连续太赫兹辐射源，两束波长不同的激光拍频到UTC-PD 中，形成频率在75GHz-2.5THz 范围内的太赫兹辐射源。
共有两种UTC-PD 光混频模块可供选择：波导耦合式，适用于太赫兹通讯；集成天线式（硅透镜准光结构），适用于太赫兹光谱成像。
典型应用：
UTC-PD产品型号列表
