透镜天线为太赫兹片上技术提供了便携性

   莫斯科，2022 年 2 月 22 日 — 设计用于发送和接收太赫兹 (THz) 信号的微型透镜天线足够紧凑，可用作各种行业的便携式设备，从通信和制造到安全、生物医学和食品安全。虽然传统的太赫兹系统表现出高可调性和强大的信号质量，但它们通常过于庞大而无法广泛使用或被认为是便携的。

    “今天，你会在实验室或工业环境、一些机场、医院和望远镜中找到笨重的太赫兹设备，”斯科尔科沃科学技术学院 (Skoltech) 教授 Shihab Al-Daffaie 说道，“为了实现令人兴奋的新应用，我们需要让太赫兹技术走出实验室，进入普通人的手中和家中。这意味着让它们变得更小。”

   Skoltech 教授与达姆施塔特技术大学和卡塞尔大学的同事合作，开发了一个基于光子集成电路 (PIC) 和纳米技术的太赫兹系统平台。俄德团队的主要目标之一是消除传统太赫兹系统中体积庞大的硅透镜（Si-lens），以实现更好的性能和便携性。硅透镜不能用作便携式应用的紧凑型太赫兹源。

 此外，它们对将光混合器安装在镜头上时可能发生的错位高度敏感。

   “几乎 90% 的太赫兹设备使用直径约 10 毫米、厚约 6 毫米的笨重硅透镜，”Al-Daffaie 说。“你不可能用指尖大小的设备来装那个东西，所以我们找到了摆脱它的方法。”

 研究人员使用菲涅耳波带板设计透镜天线并将其与基于纳米接触的光混合器集成，他们选择了菲涅耳波带板是因为它具有平面结构和方向特性。

 然后，该团队用为基于纳米接触的太赫兹光混合器设计的集成透镜天线替换了笨重的硅透镜。该系统使用具有集成电子和空气接口的垂直纳米光混合器来集成太赫兹源和检测器。

 与传统的混合器相比，纳米接触型混合器的电容降低，光电流增加。

 集成透镜天线的性能可与笨重的 Si 透镜相媲美，只是在所有三个维度上都显着减小了尺寸，尤其是透镜厚度。扁平天线只有 0.3 毫米厚，比传统的硅透镜薄约 20 倍。使用两种不同的软件程序来模拟新的透镜天线——Meep，一种用于 2D 模拟的 MIT 开源工具，以及用于 3D 模拟的 CST Microwave Studio——最终设计表明，使用标准光学光刻技术只需两个制造技术处理步骤，透镜天线可以与太赫兹纳米光混合器单片集成。“这不仅仅是缩小尺寸，”Al-Daffaie 说。“我们可以将我们的太赫兹设备直接安装在平面天线上，将其无缝集成到系统中。以前，你会把设备放在镜头上，有点像设备中的设备——但现在我们在同一个平台上拥有它。”

一个欧洲团队报告了他们设计的一种非常小的扁平天线，用于接收和传输太赫兹信号。该团队认为，该设备设计的多功能性将适合于使纳米光混合器提高基于芯片的太赫兹系统的性能。由 Skoltech 提供。 

 新型太赫兹“片上系统”在不影响性能的情况下，显著降低了所需的光功率。它消除了对大激光器的需要，并使发射天线放置在接近接收天线。“你可以把它们都写在铅笔尖上，”Al-Daffaie说。传统太赫兹技术需要两个独立的器件进行信号的收发，每个器件的宽度约为0.5 m。

   Al-Daffaie说:“为了了解如何使用这种铅笔大小的设备，可以考虑生物细胞、液体或气体分析。”例如，你可以用它来检测牛奶的质量。你在两根天线之间放一个落点。发射机将太赫兹波发送给接收机，接收机通过分析物质(在本例中为牛奶)获得它们的调制，从而推断其成分。

   “但请记住：太赫兹辐射也有利于无线通信，因此这种设置的美妙之处在于，同一根天线还可以将分析结果转发到智能手机或任何你想要的地方。”

 与笨重的硅透镜相比，这种新型透镜天线具有较高的指向性，对太赫兹源或探测器失调的灵敏度低于体积较大的硅透镜。简单的两步光刻制造过程使其紧凑和可单片集成，并减少了不对准的影响。最后，太赫兹系统芯片可以使集成的纳米和太赫兹技术驱动用于生物医学、食品分析和其他行业的便携式设备。