在过去的30年里，太赫兹技术经历了突破性发展并逐步实现应用转化^[1]。在电磁波谱中太赫兹波段（0.1～10 THz）处于微波与红外波段之间，其兼具光子学高分辨与电子学强穿透的特性决定了其在生物医学无损检测^[2]、无线通讯^[3]、非侵入式安检^[4]等领域的应用前景。基于宽频光电导天线发射源的太赫兹时域光谱（terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）^[5-6]技术极大推动了上述应用的发展。尽管可以通过肖特基二极管混频器^[7]、返波管^[8]以及非线性晶体整流^[9]等手段来获得太赫兹辐射，但光电导天线凭借其结构紧凑、时域相干性强及与飞秒激光器的高兼容性等优势，成为THz-TDS中应用最广泛的太赫兹源^[10-11]。然而，随着太赫兹系统向高频段、高灵敏度方向演进，传统光电导天线在宽带响应与辐射方向性方面的性能瓶颈日益凸显。近年来，研究人员主要聚焦于半导体载流子动力学调控、电极界面工程及表面等离激元共振增强等微观机制的优化^[12-16]，虽有效提升了辐射强度，却未实质性改善天线的关键性能指标−阻抗带宽与辐射方向性系数。这两个参数作为评估天线电磁性能的核心标准，直接决定太赫兹系统的工作频段、信号稳定性及空间分辨率，已成为制约太赫兹技术实用化进程的重要科学问题。

光电导天线材料和天线结构极大影响太赫兹波的发射特性。在材料选择方面，低温生长砷化镓（low-temperature grown GaAs, LT-GaAs）因其优异的物理特性成为理想的光导基底材料：其亚皮秒量级的超短载流子寿命（＜1 ps）具有双重优势−既有效抑制电极间隙边缘载流子积累形成的反向屏蔽电场，又可确保光生载流子在相邻光脉冲间隔内完全复合，消除残留载流子对后续脉冲的干扰。LT-GaAs的高载流子迁移率有利于提高光电流密度，进而提升太赫兹发射效率。同时，该材料10⁸ Ω·cm量级的暗态电阻率赋予其优异的耐压特性，允许施加高达100 kV/cm的偏置电场以拓展辐射带宽。在结构优化层面，通过设计具有宽带匹配特性的电极构型可突破传统偶极子天线的带宽限制：采用共面带状线馈电的蝶形天线已实现1～10 THz的超宽带阻抗匹配（相对带宽达164%）^[17]；而基于对数周期、等角螺旋和阿基米德螺旋等自互补结构的超宽带天线设计进一步提升了高频响应特性。值得注意的是，LT-GaAs与自由空间（空气）间大介电失配（ε_r=12.9，ε₀=1）会导致显著的界面损耗，为此采用高阻硅扩展透镜作为衬底背向耦合装置，可显著提高辐射效率，同时大幅度压缩太赫兹波的发散角，改善不同天线结构的辐射方向性^[18-19]。

本文设计并实现了一款基于LT-GaAs材料的等角螺旋光电导天线。首先，采用电磁仿真对平面等角螺旋天线耦合介质透镜结构的阻抗特性以及辐射特性进行了仿真，得到了具有超宽带和高指向性的优化结构参数，并依据优化参数制备了光电导天线。采用自行搭建的太赫兹双光梳光谱检测（terahertz dual-comb spectroscopy and measurement，THz-DCSM）系统进行测试。在相同测试条件下，与商用光电导天线（Teravil，EMT−8）相比，时域峰值信噪比提升了23%。有效辐射带宽从1.5 THz提升至2 THz。这些结果表明，基于LT-GaAs材料的等角螺旋光电导天线在太赫兹波段具有显著的性能优势，这种材料−结构−波束调控的协同优化策略为高性能光电导太赫兹源的设计提供了系统解决方案。

1 天线的设计和仿真

图1（a）为加载了扩展透镜的光电导天线辐射示意图。波长为780 nm的飞秒激光照射在天线电极间隙内的LT-GaAs上时，由于光子能量大于LT-GaAs的带隙，被照射区域的束缚电子从价带跃迁到导带从而产生了光生载流子，光生载流子被外置偏压加速形成光电流。LT-GaAs材料内电子、空穴可通过高密度缺陷态辅助超快非辐射复合，使得光电流在皮秒或亚皮秒量级发生剧烈变化，进而产生太赫兹波并通过扩展透镜辐射到自由空间中。鉴于电子的迁移率远高于空穴，在后续的分析中，忽略空穴的影响，重点关注电子对光电流及太赫兹波产生的贡献。飞秒激光照射电极间隙产生的光电流密度$ J(t) $可表示为

$ {J\left(t\right)=N\left(t\right)e\mu E}_{b} $

(1)

式中：$ N(t) $是光生电子浓度；$ e $是电子电荷；$ \mu $是光生电子迁移率；$ {E}_{b} $是偏置电场场强。此时瞬变电流产生的太赫兹脉冲$ {E}_{{\mathrm{THz}}} $可以表示为

$ {E}_{{\mathrm{THz}}}=\frac{A}{4\text{π} {\varepsilon }_{0}{c}^{2}r}\frac{\partial J\left(t\right)}{\partial t}=\frac{Ae}{4\text{π} {\varepsilon }_{0}{c}^{2}r}\frac{\partial N\left(t\right)}{\partial t}\mu {E}_{b} $

(2)

式中：$ A $是光照射面积；$ {\varepsilon }_{0} $是真空介电常数；c是真空光速；$ r $是场点距太赫兹波源点的距离。

对于传统的“工”字形和蝶形光电导天线，天线阻抗会随着频率的改变而发生明显变化，从而导致辐射方向图和回波损耗会随着频率变化而改变。本文采用了旋转角为90°的等角螺旋结构代替传统的偶极结构。由于该结构的自互补特性，由布克关系式$ Z_{\rm{in}}^{s}Z_{\rm{in}}^{d}={U}_{0}^{2}/{I}_{0}^{2}={\eta }^{2}/4 $（$ Z_{\mathrm{in}}^s,Z_{\mathrm{in}}^d $分别是天线本身与缝隙的阻抗，自互补结构时二者的阻抗相等）可知，理论上这种平面等角螺旋天线的输入阻抗$ Z_{\mathrm{in}}^s $是非频变的，这使得等角螺旋光电导天线拥有一个很宽的阻抗带宽，太赫兹辐射带宽也随之增大。

等角螺旋天线的一条螺线臂可由方程所得

$ \begin{cases} {{r}}_{1}={r}_{0}{{\mathrm{e}}}^{a\varphi }\\ {{r}}_{2}={r}_{0}{{\mathrm{e}}}^{a(\varphi -\delta )}\\ \end{cases} $

(3)

式中：$ {r}_{0} $为天线内径；$ a $为螺旋旋率；$ {r}_{1}{\mathrm{、}r}_{2} $为螺旋臂的上下边缘半径；$ \delta $为旋转角（值为90°时天线结构为自互补）。另一臂可以通过将该臂绕所在平面的法线旋转180°得到。数值仿真结果表明，对于0.5～3圈的螺旋天线，参数a的影响并不明显，最佳的设计是1.25～1.5圈，因此令φ = 3π。设计工作频率在0.1～1 THz，由此可知

$ \mathrm{e}^{a3\text{π}}=\frac{r\mathrm{_M}}{r_0}=10,\ a=\frac{\ln10}{3\text{π}}=0.244 $

(4)

式中，$ {r}_{\mathrm{M}} $为天线外径，它与$ {r}_{0} $都是由对应波长所决定（值为波长的1/4）。由于天线电极是蒸镀在LT-GaAs表面，有效波长$ {\lambda }_{\text{eff}}=\lambda /\sqrt{{\varepsilon }_{\text{eff}}} $ $ \left({\varepsilon }_{\text{eff}}=\dfrac{{\varepsilon }_{r}+1}{2}, {\varepsilon }_{r}=12.9\right) $，所以设定$ {r}_{0} \mathrm{m} $=25 μm。GaAs衬底厚度为500 μm。

为了更好地提高发射效率和准直太赫兹波，如图1（a）所示，在LT-GaAs/AlAs/GaAs背侧安装高阻硅扩展透镜。由于高阻硅和GaAs的相对介电常数接近，加装高阻硅扩展透镜能大幅提高太赫兹波的引出效率和压窄发散角。高阻硅介质透镜扩展区厚度计算式为

$ D=H+R+K=R\left(\frac{1}{n-1}+1\right) $

(5)

式中：H是衬底厚度；K是扩展厚度；R是透镜半径；n是折射率。由仿真、实验采用的硅透镜尺寸R=5 mm算出扩展部分$ H\approx 1.6\;{\mathrm{mm}} $。如图1（b）所示，当 $ \beta {{＜}} 15{^{\circ}} $，球差对光路的影响不大，硅透镜能够很好地准直太赫兹波，超过这一角度，准直能力将受到影响。

用HFSS电磁仿真软件对天线性能参数进行数值模拟。由图2（a）可知，在整个仿真频率内S₁₁＜ −10 dB，相对带宽高达163%，接近非频变天线解析理论设计结果。

天线增益是指在相同净输入功率和相同距离情况下，天线在最大辐射方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度的比值。天线增益G计算式为

$ G=\frac{4\text{π} U}{{P}_{\text{acc}}}=\frac{2\text{π} {\left| E\right| }^{2}}{{\eta }_{0}{P}_{\text{acc}}}{r}^{2} $

(6)

式中：$ {\left| E\right| }^{2} $表示电场幅度；$ U $为每单位立体角内天线辐射出的功率；$ {\eta }_{0} $为空气阻抗；r表示场点到天线的距离；$ P_{\mathrm{acc}} $为天线净输入功率。图2（b）～（c）对比了有无高阻硅扩展透镜的光电导天线在0.1 THz、0.5 THz和1 THz的远场增益方向图，可以看出高阻硅扩展透镜很好地准直了太赫兹波。同时，天线的增益随着频率的提高而增强，这是因为当在双臂始端馈电时，臂上电流沿线边传输边辐射边衰减。天线辐射强度受电流大小影响，高频辐射区位于螺线臂内部，辐射电流大、损耗小，所以增益比低频高，并且处于近轴区域，准直性能更好。在1 THz增益表现出最大增益，达到25 dB，并且半功率角宽度随频率的提高而减小。

2 测试和分析

图3（a）为在光学显微镜下的天线成像，该天线采用标准电子束光刻工艺将Ti−Au等角螺旋金属结构蒸镀在LT-GaAs上。图3（b）为测试得到的光电导天线的伏安特性曲线图，黑色曲线代表的是天线在−40～40 V电压下的暗电流变化。从曲线趋势中可看出，天线具有良好的欧姆接触，通过计算曲线斜率可得天线的暗电阻约为 $ 4\times {10}^{8}\;\Omega $，该高阻态特性证实器件具有优异的绝缘性能，能够在高偏置电场下稳定工作。蓝色曲线为光电流响应特性，由780 nm飞秒激光（功率35 μW，光斑直径2 μm）辐照于电极间隙近阳极区域时测得，其数值通过扣除暗电流分量（红色曲线与黑色曲线的差值运算）获得。因为光斑位置是靠近阳极的，光生载流子在阳极附近产生，又因为载流子寿命短，只有在正偏压的驱动下，载流子能够更多地抵达阳极，此时光生电流强，反之距离变远，载流子在衬底内部与空穴复合被消耗，光生电流弱。此外，光电流随偏置电压增大呈现饱和趋势，此现象源于光激发载流子浓度达到饱和状态（受限于入射光子通量），此时电极收集效率不再随电场强度提升而增加。该I−V特性与光载流子输运模型的预测结果高度吻合，验证了器件光电转换机制的有效性。

为了测试天线的辐射特性，将天线充当太赫兹发射源放置在自行搭建的THz-DCSM中，如图4所示。

图4展示了实验测试光电导天线的系统光路图。该测试系统采用的是太赫兹双梳光谱仪的工作原理^[20-22]，时域信号采用异步光学采样的方法采集。由于两光频梳存在重复频率差$ \Delta f $，泵浦脉冲与探测脉冲之间的时间延迟$ \Delta t $会随时间线性累积，形成等效机械延迟线的作用，可实现高分辨率时域采样。在实验过程中，重复频率稳定的泵浦光（$ {f}_{r}=100\;\text{MH}\mathrm{z} $）照射光电导天线的电极间隙处激发产生电子−空穴对，在外加偏置电场的作用下使电子−空穴对加速运动，并通过金属天线辐射重复频率为$ {f}_{r} $的太赫兹频梳（红色）。重复频率为$ {f}_{r}+\Delta f(\Delta f $=25 Hz）的探测飞秒激光（绿色）照射探测天线，此时在光电导发射天线中太赫兹梳与光电导探测天线内的光电流梳发生多频外差，产生一个重复频率为$ m\Delta f $（m为正整数）的射频梳，完成太赫兹信号的采集，本文采用时域测量的方法记录该射频脉冲信号。该电信号通过电流放大器放大后直接用示波器采集，得到的时域信号除以压缩因子（$ {f}_{r}/\Delta f $），完成对太赫兹电场时域波形的采样还原。与传统THz-TDS相比（扫描时间量级为秒），太赫兹双梳光谱仪（扫描时间量级为毫秒）能够实现快速扫描，可进行连续多信号连续采样和自由缩短或延长采样时间窗口的优点^[23-24]。

图5（a）表示的是经THz-DCSM测得的商用偶极子天线（Teravil, EMT−8）和自制等角螺旋天线二者的太赫兹时域图，插图部分是时域电场图中系统噪声的放大图。图5（b）是经傅里叶变换得到的相应频谱图。实验用飞秒激光泵浦平均功率为22 mW，脉宽小于100 fs，光斑直径为100 μm，波长为780 nm的飞秒激光充当激发源，在偏压极限的情况下（商用天线偏压为40 V，自制光电导天线偏压为70 V）并保持其他测试条件相同情况下进行测量。由图5（b）可知，螺旋天线的峰值动态范围约为56 dB，频率带宽为2 THz，相比于商用天线，信号强度在整个频段都更高，信噪比提高了23%（螺旋天线SNR：1900，商用天线SNR：1545），带宽增加了0.5 THz。

3 结　论

本文提供了一种全新的思路来提升光电导发射天线的性能。首先设计了一种超宽带的光电导天线，通过电磁仿真软件HFSS模拟出了它的阻抗带宽和方向特性，得到了相对带宽为163%，增益达到25 dB的优化结构参数。依照优化参数制备的等角螺旋天线在相同的测试条件下，相比于商用光电导天线（Teravil, EMT−8），在辐射带宽和信噪比上都表现出更优异的性能，时域峰值信噪比提升了23%。辐射带宽从1.5 THz提升至2 THz。这说明所设计的螺旋天线在太赫兹波段具有更优异的性能，能够更有效地辐射太赫兹信号。这种性能的提升主要归因于螺旋天线的独特结构设计以及加载扩展透镜的优化效果。螺旋天线的结构使其在超宽带范围内保持良好的阻抗匹配和辐射特性，而扩展透镜则进一步增强了天线的辐射效率和方向性。因此，该螺旋天线在太赫兹通信、成像和传感等领域具有广阔的应用前景，能够满足对高性能太赫兹天线的需求。